ÐÑÑокоÑÑÑекÑивнÑе Ñ ÑомаÑогÑаÑиÑеÑкие пÑоÑеÑÑÑ. Ñ.1. ÐÐ¥ ...
ÐÑÑокоÑÑÑекÑивнÑе Ñ ÑомаÑогÑаÑиÑеÑкие пÑоÑеÑÑÑ. Ñ.1. ÐÐ¥ ...
ÐÑÑокоÑÑÑекÑивнÑе Ñ ÑомаÑогÑаÑиÑеÑкие пÑоÑеÑÑÑ. Ñ.1. ÐÐ¥ ...
- No tags were found...
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК<br />
ИНСТИТУТ ГЕОХИМИИ И АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ<br />
им. В. И. ВЕРНАДСКОГО<br />
Б. А. Руденко Г. И. Руденко<br />
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ<br />
ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ<br />
ПРОЦЕССЫ<br />
Том 1<br />
ГАЗОВАЯ<br />
ХГСШТОГРАФМЯ<br />
МОСКВА «НАУКА» 2003
УДК 543<br />
ББК 24.4<br />
Р83<br />
ПРЕДИСЛОВИЕ<br />
Ответственный редактор<br />
доктор технических наук Б.К. Зуев<br />
Рецензенты:<br />
доктор химических наук Б.Я. Спиваков,<br />
доктор химических наук CC. Юфит<br />
Руденко Б.А<br />
Высокоэффективные хроматографические процессы: В 2 т. /<br />
Б.А. Руденко, Г.И. Руденко; Отв. ред. Б.К. Зуев. - M.: Наука, 2003. -<br />
ISBN 5-02-006479-3<br />
T. 1: Газовая хроматография. - 2003. - 425 с: ил. - ISBN 5-02-006480-7<br />
(в пер.)<br />
В монографии впервые рассмотрены вопросы организации высокоэффективных<br />
хроматографических процессов на наполненных колонках большой<br />
длины, а также в системах циркуляционной хроматографии. Детально освещены<br />
технические приемы, используемые при изготовлении высокоэффективных<br />
колонок для капиллярной и жидкостной хроматографии.<br />
Для инженеров-металлургов, научных работников, занятых вопросами<br />
улучшения кузнечных технологий, а также для студентов и аспирантов соответствующих<br />
ВУЗов.<br />
ISBN 5-02-006479-3 (общ.) ©Российская академия наук, 2003<br />
ISBN 5-02-006480-7 (т. 1) © Издательство "Наука",<br />
(художественное оформление), 2003<br />
В 2003 г. исполнится 100 лет после первого сообщения русского<br />
ботаника М.С. Цвета об открытии им нового способа<br />
анализа и разделения веществ с помощью динамического сорбционного<br />
процесса, названного им "хроматографическим анализом".<br />
В опытах М.С. Цвета однородная смесь пигментов растений<br />
при пропускании в токе растворителя через слой порошкообразного<br />
адсорбента в стеклянной колонке разделялась на<br />
составные части, образующие цветные кольца на белом фоне<br />
адсорбента.<br />
Сравнивая такое разделение цветных пигментов с разложением<br />
белого света на цветные лучи в стеклянной призме, автор<br />
назвал открытый им метод "цветописью", по гречески "хроматографией.<br />
За 100 лет существования и развития этот способ анализа и<br />
разделения смесей веществ достиг совершенства и приобрел широчайшую<br />
область применения.<br />
В настоящее время объектами хроматографического разделения<br />
являются газы и легколетучие жидкости, высокомолекулярные<br />
компоненты нефти и ракетного топлива, соли металлов<br />
и разнообразные полимеры, биологические жидкости и пищевые<br />
продукты, лекарства и загрязнители окружающей природной<br />
среды, вещества, извлекаемые из метеоритов и атмосферы других<br />
планет. Таким образом, объектами хроматографического<br />
анализа и разделения являются, с одной стороны, постоянные газы<br />
и легкие углеводороды, включая изотопы и спиновые изомеры<br />
водорода, изотопы гелия и неона и другие благородные газы,<br />
а, с другой стороны, тяжелые фракции нефти и продуктов переработки<br />
каменного угля, разнообразные полимеры с молекулярной<br />
массой выше миллиона, разнообразные биологически активные<br />
вещества (аминокислоты, пептиды, стероидные гормоны,<br />
различные лекарства и т.п.), металлоорганические соединения,<br />
соли и комплексные соединения многих металлов и даже сами<br />
металлы в форме паров или растворов.<br />
В предлагаемой вниманию читателя книге изложены сведения,<br />
касающиеся путей достижения максимальной эффективно-<br />
3
сти разделения близких по свойствам веществ в хроматографических<br />
процессах. Рассмотрены достигнутые успехи и достижения и<br />
показаны перспективы дальнейшего развития хроматографического<br />
метода в направлении реализации его огромных возможностей<br />
для разделения веществ с крайне малыми различиями в<br />
составе и структуре молекул и в физических и химических свойствах.<br />
Авторы книги стремились показать тот сложный путь, который<br />
привел хроматографический метод от первых опытов по<br />
хроматографии пигментов растений, выполненных русским ботаником<br />
M.С. Цветом, к современным высокоэффективным хроматографическим<br />
процессам.<br />
Предполагается, что читатель книги уже знаком с основами<br />
хроматографической теории и техники и, возможно, уже имеет<br />
свой собственный, пусть небольшой, опыт работы с какой-либо<br />
из хроматографических систем. Это избавляет авторов от необходимости<br />
излагать начальные принципы метода и позволяет, опустив<br />
известные математические выкладки, сразу перейти к рассмотрению<br />
зависимостей, получаемых в хроматографическом<br />
опыте результатов, от тех факторов, которые определяют эффективность<br />
хроматографического процесса.<br />
Обилие литературных источников по разным разделам хроматографии<br />
обусловило определенные трудности при отборе материала.<br />
Огромное большинство опубликованных научных статей<br />
и книг посвящено разнообразным приложениям этого метода,<br />
причем для решения прикладных задач используется стандартный<br />
набор хорошо апробированных на практике систем и<br />
приемов, далеко не всегда обеспечивающих наиболее высокую<br />
эффективность разделения. Эти многочисленные работы за малым<br />
исключением не рассматриваются в настоящей книге, которая<br />
поэтому не должна восприниматься как исчерпывающая монография<br />
по высокоэффективной хроматографии. В основном в<br />
книге цитируются работы, прямо направленные на достижение<br />
наиболее высокой эффективности в каждом конкретном варианте<br />
хроматографического процесса.<br />
Естественная ограниченность объема книги не позволила<br />
осветить все известные разновидности хроматографии; рассмотрены<br />
наиболее распространенные в настоящее время варианты<br />
газовой хроматографии, жидкостной хроматографии высокого<br />
разрешения и ионной хроматографии. Вне поля зрения остались<br />
обширные области эксклюзионной и аффинной хроматографии.<br />
Авторы надеются, что основные идеи о способах достижения<br />
наибольшей эффективности разделения, рассмотренные в насто-<br />
ящей книге, вдумчивый читатель сможет применить и к тем разновидностям<br />
хроматографического метода, которые не нашли<br />
здесь своего полного отражения.<br />
Авторы будут считать свою задачу выполненной, если хотя<br />
бы немногие из читателей будут увлечены изяществом хроматографического<br />
метода и широтой предоставляемых им возможностей<br />
в такой мере, что потратят часть своих усилий для его дальнейшего<br />
развития и совершенствования.<br />
Все замечания, касающиеся содержания этой книги, будут<br />
приняты авторами с благодарностью.<br />
4
Глава 1<br />
ВВЕДЕНИЕ<br />
1.1. ЧТО ТАКОЕ "ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ<br />
ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ"<br />
Достаточно разрозненные направления развития техники и методики<br />
различных вариантов хроматографического метода, разработанные<br />
до настоящего времени с целью достижения максимально<br />
возможной эффективности разделения близких по свойствам<br />
веществ, имеют глубокую внутреннюю связь между собой. В этой<br />
общей проблеме можно выделить несколько различных аспектов.<br />
Возможна ситуация, когда два или несколько веществ, имеющих<br />
очень близкие физические характеристики, заметно различаются<br />
по своему химическому строению и, следовательно, по своей<br />
способности к взаимодействию с другими веществами, то есть применительно<br />
к хроматографическому процессу с компонентами подвижной<br />
или неподвижной фаз. Так, например, изопрен и диэтиловый<br />
эфир или бензол и циклогексан различаются по температурам<br />
кипения всего лишь на малые доли градуса. Тем не менее, значительные<br />
различия в химическом строении этих веществ позволяют<br />
достаточно легко подобрать такие хроматографические системы, в<br />
которых один из компонентов названных выше пар веществ вступает<br />
в более сильные взаимодействия, чем другой компонент. При<br />
этом разделение таких пар веществ не требует особо высоких качеств<br />
разделяющей системы и может быть осуществлено с привлечением<br />
самых простых вариантов хроматографии. Так, указанные<br />
выше пары веществ успешно разделяются в условиях газовой хроматографии<br />
на наполненной колонке длиной порядка 1 м с неподвижной<br />
фазой, способной к донорно-акцепторным взаимодействиям<br />
(трикрезилфосфат, полиметилфенилсилоксан и др.).<br />
С другой стороны, потребности науки и технологии выдвигают<br />
задачи разделения таких веществ, которые имеют крайне малые<br />
отличия в физических характеристиках и к тому же практически не<br />
6<br />
различаются по своему молекулярному строению и химическим<br />
свойствам. Таковы, например, структурные изомеры диметилбензола<br />
(орто-, мета- и «ара-ксилолы), дихлорбензола или этилтолуола;<br />
очень мало различаются по своим химическим и физическим<br />
свойствам стереоизомеры непредельных углеводородов, имеющих<br />
в молекуле более восьми атомов углерода и несущих двойную связь<br />
в средней части молекулы; разветвленные предельные углеводороды<br />
с разным положением метильного заместителя (например, 2-метилпентан<br />
и 2,3-диметилбутан); соединения, содержащие в молекуле<br />
разные одного и того же элемента (например, C 6 H 6 и C 6 H 5 D или<br />
|-СН 4 и 13 CH 4 ). Во всех случаях, подобных перечисленным здесь,<br />
простое изменение состава компонентов хроматографической системы<br />
не позволяет добиться сколько-нибудь приемлемого разделения<br />
таких веществ. Для этого приходиться применять системы, способные<br />
обеспечить высокую разделяющую способность исключительно<br />
за счет минимальных различий в физических характеристиках<br />
соединений, зачастую различающихся, например, по температурам<br />
кипения на сотые и тысячные доли градуса. В таких случаях<br />
разделение возможно только за счет очень высокого качества хроматографической<br />
системы, т.е. за счет ее высокой эффективности.<br />
В терминах теории разделения веществ при помощи ректификации<br />
и хроматографии эффективность разделения измеряется<br />
числом теоретических тарелок (т.т.), иначе числом фазовых переходов<br />
между неподвижной и подвижной фазами, которые претерпевают<br />
молекулы разделяемых веществ за время их пребывания в<br />
хроматографической системе. В первом из разобранных выше<br />
случаев для разделения достаточно всего лишь нескольких сотен<br />
или двух-трех тысяч теоретических тарелок, а во втором случае<br />
необходима эффективность хроматографической системы, измеряемая<br />
десятками и сотнями тысяч теоретических тарелок.<br />
Такие хроматографические системы относятся к категории<br />
высокоэффективных, несмотря на значительные затраты материалов,<br />
времени и энергии, которые требуются для достижения<br />
высокой разделяющей способности.<br />
С другой стороны, высокие показатели разделяющей способности<br />
могут быть достигнуты и в системах, не обладающих чрезмерно<br />
большой суммарной эффективностью. Ниже будет показано,<br />
что предельные локальные значения разделяющей способности,<br />
которые могут быть достигнуты в любой хроматографической<br />
системе ограничены наименьшими величинами геометрических<br />
параметров этой системы, т.е. размерами зерна сорбента,<br />
если хроматографическое разделение происходит на слое зернистого<br />
адсорбента или диаметром канала, если разделение происходит<br />
в полой колонке, например в капиллярной хроматографии.<br />
7
Так высококачественная колонка для жидкостной хроматографии,<br />
заполненная сорбентом с величиной зерна 3-5 мкм, может<br />
обладать разделяющей способностью порядка 2000 т.т. на<br />
1 см ее длины. При этом полная эффективность колонок длиной<br />
3—4 см может составлять 10 тыс. т.т. и более, что соответствует<br />
эффективности капиллярных газохроматографических колонок<br />
длиной 10-15 м. Такие системы и процессы, происходящие в них,<br />
также являются высокоэффективными.<br />
В настоящей книге будут рассматриваться системы двух типов:<br />
1) обеспечивающие высокую общую эффективность процесса<br />
(более 20 тыс. т.т.) и позволяющие осуществлять разделение<br />
очень близких по свойствам веществ, в том числе изомеров и<br />
изотопнозамещенных соединений и 2) обеспечивающие эффективность,<br />
близкую к предельно достижимым теоретически параметрам<br />
для данной хроматографической системы, даже если ее<br />
полная эффективность измеряется всего лишь несколькими сотнями<br />
или тысячами теоретических тарелок. Этот последний случай<br />
реализуется в большинстве современных систем высокоэффективной<br />
жидкостной хроматографии.<br />
В литературе по хроматографии довольно часто термин "высокоэффективный<br />
процесс" применяется также и для описания<br />
таких вариантов хроматографии, которые отличаются высокой<br />
производительностью по количеству разделяемых веществ в единицу<br />
времени или по числу выполняемых анализов. Такие системы<br />
не будут рассматриваться в данной книге, за исключением тех<br />
случаев, когда высокая производительность (например, по числу<br />
аналитических определений в одном хроматографическом опыте)<br />
непосредственно связана с высокой разделяющей способностью<br />
данной системы, как, например, в высокоэффективной тонкослойной<br />
хроматографии.<br />
1.2. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ<br />
ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИХ МЕТОДОВ<br />
Во второй половине XX столетия одним из наиболее значительных<br />
явлений, определяющих методологию научного исследования<br />
во многих естественно-научных дисциплинах явилось широкое<br />
использование в химических и биохимических лабораториях<br />
хроматографических методов анализа и разделения веществ.<br />
В 1950-х годах исследователи достигли значительных успехов<br />
в разработке методов, направленных на изучение структуры и<br />
8<br />
строения индивидуального вещества, например, спектрально-оптические<br />
методы, рентгено-структурный анализ и масс-спектрометрия.<br />
К этому же периоду относятся и первые успехи в применении<br />
методов ядерного магнитного резонанса, возможности которого<br />
в изучении структур молекул были оценены весьма рано.<br />
С другой стороны, арсенал классических методов анализа и разделения<br />
сложных смесей веществ даже с добавлением таких изощренных<br />
приемов, как прецизионная ректификация и низкотемпературная<br />
дистилляция, оказался недостаточным для решения<br />
сложнейших научных задач современной органической химии и<br />
смежных дисциплин.<br />
Устранение дисгармонии между возможностями изучения индивидуального<br />
соединения и выделения чистого вещества из<br />
сложной смеси связано с развитием ряда хроматографических<br />
методов. В первую очередь это касается трех разновидностей метода<br />
хроматографии, ожидавших своего времени почти полвека<br />
после первых успешных опытов М.С. Цвета в 1901-1904 гг. [1].<br />
Открытие и развитие метода бумажной хроматографии [2] создало<br />
прочную базу для анализа и разделения сложных смесей аминокислот,<br />
пептидов, липидов и нуклеотидов, что значительно<br />
расширило возможности биохимических исследований. В известной<br />
мере аналогичная техника тонкослойной хроматографии [3,<br />
4] на закрепленных и незакрепленных слоях сорбентов явилась<br />
мощным ускорителем исследований в области синтетической органической<br />
химии и в ряде прикладных областей химии и химической<br />
технологии.<br />
Истинно революционное значение имело открытие в 1952 г.<br />
Мартином и Джеймсом [5] метода газожидкостной хроматографии.<br />
Сочетание универсальности с высокой разделяющей способностью<br />
и высокой чувствительностью регистрации разделенных<br />
компонентов обеспечили этому методу чрезвычайно широкую<br />
область применения.<br />
С начала 1960-х годов многие достижения органической химии,<br />
биохимии, химической технологии оказываются неразрывно<br />
связанными с этапами развития метода газовой хроматографии,<br />
такими как разработка жидких фаз высокой селективности<br />
[6, 7], чувствительных ионизационных детекторов [8-10], капиллярных<br />
колонок [11], техники препаративного разделения веществ<br />
[12, 13] и др. Развитие этих направлений позволило ставить<br />
и решать проблемы, которые ранее считались выходящими за<br />
пределы человеческих возможностей: разделение близких изомеров<br />
и соединений, содержащих разные изотопы одного и того<br />
же элемента; анализ смесей десятков и сотен компонентов; изучение<br />
состава биологически активных веществ, количество кото-<br />
9
рых измерялось тысячными долями миллиграмма. В настоящее<br />
время можно уверенно говорить о том, что метод хроматографии<br />
оказал и продолжает оказывать мощное воздействие на<br />
развитие естествознания в целом. Это подтверждается, во-первых,<br />
с обилием научных исследований, выполненных с применением<br />
этого метода. Число таких исследований, опубликованных<br />
до 2000 г., близко к 180 000 и увеличивается примерно на<br />
5000 публикаций ежегодно [14]. Второе обстоятельство, позволяющее<br />
ставить вопрос таким образом - это многообразие и<br />
широта областей применения хроматографии. В круг научных<br />
дисциплин, использующих этот метод, входят химия и биология,<br />
биохимия и медицина, геология и метеорология, лесоведение<br />
и агрохимия, пищевая промышленность и металлургия [15].<br />
Хроматография принята на вооружение рядом отраслей наук,<br />
изучающих вопросы социального характера, в том числе такими,<br />
как криминалистика и судебная медицина. Столь же широко<br />
методы хроматографии используются при изучении важнейших<br />
вопросов взаимодействия человеческого общества с окружающей<br />
средой в масштабе всей планеты. Наконец, наиболее<br />
совершенные достижения хроматографического метода позволили<br />
ставить и решать такие фундаментальные естественнонаучные<br />
проблемы как изучение первичных допалеонтологических<br />
форм жизни [16], вопросы минералообразования [17],<br />
химизма вулканических процессов [18] или вопросы существования<br />
жизни на других небесных телах [19, 20]. Значение широкого<br />
внедрения хроматографии в лаборатории химико-технологического<br />
и медико-биологического профиля не исчерпывается<br />
только богатейшими аналитическими возможностями. С<br />
этим явлением связаны весьма значительные изменения в психологии<br />
многих естествоиспытателей. В частности, резкая интенсификация<br />
обмена информацией между отдельными естественно-научными<br />
дисциплинами ведет, в конечном счете, исследователей<br />
когда-то далеких областей науки к взаимному обогащению<br />
знаниями и идеями. Например, в синтетической органической<br />
химии следствием широкого проникновения газо-жидкостной<br />
хроматографии явилось принятие математико-статистического<br />
образа мышления, без которого невозможна объективная<br />
оценка точности и правильности получаемой количественной<br />
информации.<br />
Успех применения того или иного экспериментального метода<br />
для решения конкретных научных проблем определяется<br />
соответствием между текущим уровнем развития метода и трудностью<br />
решаемых с его помощью задач. Значение совершенствования<br />
метода само по себе далеко не всегда находит немед-<br />
10<br />
ленное признание, однако с течением времени оно проявляется<br />
в таких результатах исследований, которые имеют непосредственное<br />
прямое практическое значение для прогресса науки и<br />
техники.<br />
1.3. СВЯЗЬ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ<br />
РАЗДЕЛЯЕМЫХ ВЕЩЕСТВ<br />
С ИХ ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ<br />
Возможность применения хроматографии для разделения<br />
той или иной группы соединений определяется тем, достижима<br />
ли требуемая эффективность разделения за время, допустимое<br />
по условиям эксперимента. Время t, за которое хроматографическая<br />
зона проходит колонку длиной L равно [21]<br />
L L(I+ к)<br />
г= к = -т-'<br />
(М)<br />
где V. - скорость движения хроматографической зоны по колонке;<br />
и - линейная скорость подвижной фазы; а к - коэффициент<br />
емкости (называемый также коэффициентом извлечения или отношением<br />
распределения), равный отношению количеств сорбата<br />
в неподвижной и в подвижной фазах. Коэффициент к связан с<br />
количеством неподвижной фазы в колонке соотношением<br />
ItI<br />
к = K-, (1-2)<br />
где т - масса неподвижной фазы в колонке, р - ее плотность,<br />
а К - термодинамический коэффициент распределения сорбата<br />
между подвижной фазой и сорбентом при температуре эксперимента.<br />
В адсорбционной хроматографии величину к можно выразить<br />
и через коэффициент Генри (Г), связывающий адсорбированное<br />
на 1 г адсорбента количество сорбата с его равновесным<br />
давлением (или концентрацией)<br />
а = Щ- (1-3)<br />
Основной параметр, определяющий скорость перемещения<br />
хроматографической полосы по колонке, - это коэффициент<br />
распределения К, равный отношению равновесных концентраций<br />
вещества в неподвижной и подвижной фазах. В хроматогра-<br />
11
фической колонке в каждый момент времени движется лишь то<br />
количество вещества, которое находится в подвижной фазе. Это<br />
количество равно C m V m , где С т - концентрация вещества в подвижной<br />
фазе, a V n , - объем этой подвижной фазы. В неподвижной<br />
фазе связано количество вещества, равное C sl V sl . Отношение<br />
этих количеств называется коэффициентом извлечения или отношением<br />
распределения:<br />
CV V S<br />
к = ^ - ^ = К-^ = К^ = К$, (1-4)<br />
CV V S<br />
^m *т<br />
у т<br />
где S m и S 51 - доли сечения колонки, занятые, соответственно, подвижной<br />
и неподвижной фазами. При этом<br />
°st<br />
P = ^- (1-5)<br />
т<br />
Доля общего количества находящегося в колонке вещества,<br />
переносимая подвижной фазой в каждый момент времени равна<br />
С V 1<br />
ф = 2^ = . (1-6)<br />
C m V m + C 5l V 5t 1 + *<br />
Отсюда видно, что скорость движения хроматографической<br />
зоны по колонке в (1 + к) раз меньше, чем скорость движения<br />
подвижной фазы. Поэтому полный объем подвижной фазы, нужный<br />
для того, чтобы зона вещества прошла всю длину колонки -<br />
полный объем удерживания, равен<br />
V=V m (l + k) = V m + V m k, (1-7)<br />
где V n - объем подвижной фазы в колонке.<br />
Таким образом, полный объем удерживания слагается из<br />
двух частей, одна из которых представляет собой объем подвижной<br />
фазы в хроматографической колонке, а вторая - объем подвижной<br />
фазы, который прямо связан с взаимодействием сорбата<br />
с неподвижной фазой. Эту величину называют исправленным<br />
объемом удерживания.<br />
Следовательно, исправленный объем удерживания можно<br />
определить выражением:<br />
V r '=V r -V m =V m = K^-V n = KV 51 . (1-8)<br />
т<br />
Этот объем оказывается пропорциональным его коэффициенту<br />
распределения и количеству неподвижной фазы в колонке.<br />
Если рассчитать величину объема удерживания вещества в ко-<br />
12<br />
лонке, содержащей единицу объема неподвижной фазы, то полученная<br />
величина - удельный объемный объем удерживания —<br />
численно равна термодинамическому коэффициенту при данных<br />
условиях эксперимента [22]:<br />
"»=-П-*- = К- (1-9)<br />
.W<br />
Несколько громоздкое наименование "удельный объемный<br />
объем удерживания", тем не менее очень точно передает физический<br />
смысл этой величины. Более удобно (хотя и менее корректно)<br />
пользоваться величиной объема удерживания, отнесенного к<br />
единице массы неподвижной фазы в колонке. Эту величину называют<br />
удельным объемом удерживания:<br />
KV 41 KV 51 v .<br />
v R =-^ = -—f- = K/p, r (1-Ю)<br />
Применяя эти соотношения к газовой хроматографии, необходимо<br />
учитывать сжимаемость газов. Точное рассмотрение,<br />
проведенное для этого случая Мартином и Джеймсом [23], приводит<br />
к тем же выводам, однако исправленный объем удерживания<br />
должен быть скорректирован на сжимаемость газа с помощью<br />
коэффициента j:<br />
• 3 [(P 1 Zp 0 ) 2 -]]<br />
J =-• , з ,. (1-П)<br />
2 [(P 1 Ip 0 ) -1]<br />
где P 1 и р 0 - величины давления на входе и выходе колонки, соответственно.<br />
Из условия равенства значений химического потенциала вещества,<br />
распределяющегося между двумя фазами при равновесии<br />
можно получить связь коэффициента распределения с изменением<br />
свободной энергии при переходе 1 моля вещества через поверхность<br />
раздела фаз, AF 5 [24]:<br />
AF 5 = -RTIn К, (1-12)<br />
где R - универсальная газовая постоянная. Так как<br />
AF 5 = AH 5 -TAs 5 , (1-13)<br />
то коэффициент распределения может быть выражен следующим<br />
образом:<br />
AS 1<br />
А//,<br />
K = e T i R T . (1-14)<br />
13
Поэтому окончательно исправленный объем удерживания<br />
вещества в колонке равен<br />
AS,<br />
ДЯ,<br />
v' r = Ce R e~ RT , (1-15)<br />
где С - константа, учитывающая количество неподвижной фазы<br />
в колонке, температуру опыта, а в случае газовой хроматографии<br />
также и поправку на сжимаемость подвижной фазы.<br />
Выражение (1-15) наглядно демонстрирует связь параметров<br />
удерживания вещества с его термодинамическими характеристиками<br />
сорбции применяемой неподвижной фазой. Так как эти характеристики<br />
процесса сорбции связаны с особенностями состава и<br />
строения вещества и подвижной и неподвижной фаз, то эти особенности<br />
должны обязательно проявляться в изменении объема<br />
удерживания. Именно это обстоятельство делает возможным<br />
разделение близких по физическим свойствам соединений, что и<br />
определяет широту и универсальность применения хроматографии.<br />
Это становится еще более ясным из следующих простых рассуждений,<br />
в основном, применимых к процессам газовой хроматографии,<br />
но сохраняющим свой общий характер и для вариантов<br />
хроматографии с конденсированными подвижными фазами.<br />
Согласно закону Рауля упругость пара растворенного вещества<br />
над раствором /, пропорциональна его мольной доле в растворе<br />
х, или, точнее, его активности в растворе:<br />
A = A,Y,-. (1-16)<br />
о<br />
где Pi - упругость пара чистого вещества при той же температуре,<br />
у, - его коэффициент активности. При малых концентрациях<br />
веществ, с которыми приходится встречаться в аналитической<br />
хроматографии, мольная доля х, равна:<br />
' N IU) + N e N e '<br />
(M7)<br />
где JV, (Y) - число молей растворенного вещества, a N, - число молей<br />
растворителя в единице объема.<br />
Тогда<br />
у<br />
.. /(/) mol CL, /- /I ю\<br />
Pi = PtIi-^Q = ЛУ,-Уп»1 С /. ( 1 ' 18 )<br />
SV<br />
где Vf- объем сорбирующей фазы, a V moi - ее мольный объем.<br />
Применяя к паровой фазе уравнение состояния идеального<br />
газа, можно получить:<br />
Pi=~f— = C S/ RT. (M9)<br />
14<br />
Приравнивая выражения (1-18) и (1-19) и полагая, что в равновесии<br />
находятся равные объемы подвижной V n и неподвижной V 1 ,<br />
фаз, получим выражение для коэффициента распределения [25] :<br />
К = ^-^= п ,, . (1-20)<br />
с Кт) P, у У, то!<br />
Таким образом, коэффициент распределения, и объем удерживания<br />
обратно пропорциональны упругости пара разделяемых<br />
соединений. Упругость пара pf при температуре T выражается как<br />
A-V<br />
АН»<br />
р=е * -е~ RT , ( 1 " 21 )<br />
где AS n , и AH n - соответственно, энтропия и энтальпия испарения<br />
вещества, С - константа, учитывающая размерность. При температуре<br />
кипения T=T h упругость пара равна атмосферному давлению:<br />
Это заключение хорошо согласуется с результатами многочисленных<br />
исследований, например [26—31]. Из изложенного следует,<br />
что величина и особенности строения молекул разделяемых<br />
веществ должны оказывать аналогичное влияние на величину<br />
объема удерживания и температуру кипения, связанные логарифмической<br />
зависимостью.<br />
Важным соотношением, связывающим объемы удерживания<br />
двух веществ, является следующее из уравнения (1-20) равенство:<br />
V. о.<br />
a = -^ = 4^. (1-29)<br />
Согласно этому соотношению в газовой хроматографии коэффициент<br />
разделения двух веществ а зависит от их упругостей<br />
пара при температуре опыта и от отношения их коэффициентов<br />
активности при растворении в применяемой неподвижной<br />
фазе. По-существу, это равенство отражает основное преимущество<br />
процесса газожидкостной хроматографии: не имея возможности<br />
изменить отношение упругостей пара разделяемых<br />
веществ, экспериментатор может в широких пределах варьировать<br />
различия в их коэффициентах активности, изменяя природу<br />
подвижной или неподвижной фаз в колонке. В жидкостной<br />
хроматографии в целом ситуация сложнее вследствие значительно<br />
более энергичных межмолекулярных взаимодействий<br />
разделяемых веществ с жидкой подвижной фазой, однако рассмотренные<br />
закономерности и общий подход к решению проблемы<br />
разделения двух или нескольких веществ сохраняют свою<br />
силу и в хроматографии с конденсированными подвижными<br />
фазами.<br />
1.4. РАЗДЕЛЕНИЕ. ЭФФЕКТИВНОСТЬ<br />
ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ<br />
В хроматографическом процессе качество разделения двух<br />
веществ, зарегистрированных в форме двух пиков на хроматограмме,<br />
можно охарактеризовать степенью разделения или разрешением<br />
R, равным отношению расстояния между максимумами<br />
пиков к их средней ширине:<br />
R = I<br />
V-,-V 2 1<br />
- *—, (1-30)<br />
а 0(1) +а 0(2)<br />
где V 2 и V 1 - параметры удерживания двух рассматриваемых веществ,<br />
а
ствия с неподвижной фазой. Поэтому разделяющая способность<br />
хроматографической системы будет тем выше, чем<br />
больше будет число элементарных актов перехода молекул<br />
разделяемых соединений из подвижной фазы в неподвижную<br />
за время из пребывания в колонке. По аналогии с процессом<br />
ректификации, также базирующимся на использовании переходов<br />
молекул из паровой фазы в жидкую, мерой числа таких<br />
переходов в хроматографии считают величину, называемую<br />
числом теоретических тарелок (ЧТТ). Эта величина легко определяется<br />
расчетом из времени (или объема) удерживания вещества<br />
в колонке и ширины пика (измеренной в тех же единицах<br />
измерения):<br />
п = 16 (у\2 Г „Л 2<br />
= 556 — I , (1-34)<br />
\ a oj<br />
V a l/2.<br />
где а т - ширина хроматографического пика на середине его высоты<br />
[32]. Показано, что число теоретических тарелок, необходимое<br />
для разделения пары веществ с относительной летучестью<br />
а до степени разделения R, равно<br />
откуда<br />
а-1<br />
UR^2<br />
K R inJ<br />
(1-35)<br />
R = K - . (1-36)<br />
На основе этих соотношений можно определить число теоретических<br />
тарелок, требуемое для разделения двух веществ с известным<br />
коэффициентом селективности. Из формулы (1-35) видно,<br />
что величина п быстро растет при приближении а к единице.<br />
Так, если при прочих равных условиях для разделения двух веществ<br />
с а = 1,5 до / = 1 требуется всего лишь 300 т.т., то при<br />
а = 1,1 необходима эффективность более 1700 т.т., при а = 1,05 -<br />
более 6700 т.т., а при а = 1,01 - уже более 40 тыс. т.т. Связь между<br />
относительной летучестью а, необходимым для разделения<br />
числом теоретических тарелок (ЧТТ) и концентрацией примеси<br />
одного из разделяемых веществ в другом при их разделении проанализирована<br />
Глюкауфом [32]. В более поздней работе [35] установлено,<br />
что величина n R зависит от коэффициента емкости<br />
колонки (отношения распределения) и быстро растет при уменьшении<br />
этого параметра. Это демонстрируют следующие простые<br />
преобразования.<br />
18<br />
Полагая, что при очень близко расположенных пиках двух<br />
веществ их параметры удерживания примерно равны, получим из<br />
ф-лы (1-31) при V 2 -V 1 - V<br />
V-V<br />
/г,,=-^-X (1-37)<br />
Переходя в числителе к исправленным на собственный объем<br />
хроматографической колонки параметрам удерживания и умножая<br />
числитель и знаменатель на а из ф-лы (1-31), получим<br />
R KV 2 -Vo)-(Vi-Vo). v t -v 0<br />
1<br />
а-1<br />
a (Jt+ 1)<br />
K V i~ V oj<br />
V-V<br />
vi-Ч.<br />
(V 1 -V 0 )<br />
(1.38)<br />
Подставив это выражение в формулу (1-35) и выразив отсюда<br />
величину R 1n , получим<br />
ч2<br />
= ИЛ- ос к + \<br />
а-1<br />
(1-39)<br />
Из этого выражения видно, что число теоретических тарелок,<br />
необходимое для разделения двух близких по свойствам веществ,<br />
быстро растет, когда величина к становится меньше единицы.<br />
В меньшей степени зависит от характеристик колонки введенный<br />
Пёрнеллом [35] формальный параметр, названный эффективным<br />
числом теоретических тарелок (или фактором разделения<br />
Пёрнелла) n ef , рассчитываемый по формуле:<br />
V<br />
16 'V-V 0^<br />
ос, о )<br />
556<br />
Г У-К Л2<br />
V а 1/2 )<br />
(1-40)<br />
Сопоставляя выражения для п и n ef (формулы (1-34) и (1-40)),<br />
можно получить соотношение между ними.<br />
n rf =n<br />
Jk + 1<br />
,2<br />
(1-41)<br />
Эффективность хроматографической колонки обычно растет<br />
при увеличении ее длины. В том случае, когда в двух колонках<br />
разной длины находится одинаковый сорбент, и качество их за-<br />
19
полнения примерно одинаково, обычно более длинная колонка<br />
имеет более высокую эффективность. Однако, если качество заполнения<br />
этих колонок неодинаково, то более короткая колонка<br />
может оказаться более эффективной. Для того, чтобы сравнивать<br />
между собой разные хроматографические колонки, различающиеся<br />
по общей эффективности, удобно ввести понятие<br />
удельной эффективности, т.е. числа теоретических тарелок на<br />
единицу длины колонки<br />
или<br />
n sp =j (1-42)<br />
п<br />
n n ef BO всех<br />
случаях, причем даже при к > 10 различие этих величин составляет<br />
19%. Тем не менее, величина n ef значительно лучше, чем п,<br />
описывает действительную разделяющую способность колонки.<br />
Удобным параметром для характеристики разделяющей способности<br />
хроматографической колонки является введенное почти<br />
одновременно в работах [36, 37] эффективное число пиков<br />
или число разделения. Эта величина показывает сколько хроматографических<br />
пиков может разместиться между пиками двух<br />
последовательных гомологов (обычно нормальных углеводородов).<br />
Понятно, что эта величина равна уменьшенной на единицу<br />
степени разделения этих гомологов.<br />
34II = 7Z=/ hom -l. (1-46)<br />
На одной и той же хроматограмме величина ЭЧП может меняться<br />
в довольно широких пределах для разных гомологических рядов<br />
и для разных пар гомологов. Так, например, в книге Эттре<br />
20<br />
п<br />
L<br />
0 10 20 ЭЧП 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8<br />
Рис. 1. (а) Зависимость степени внутреннего разделения R jn последовательных<br />
гомологов от эффективного числа пиков ЭЧП для колонок<br />
с разным числом теоретических тарелок<br />
/ - п = 3 • 10 2 ; 2 - 10 3 ; 3 - 3 • 10 3 ; 4 - 10 4 ; 5 - 3 • 10 4 ; 6 - 10 5 ;<br />
(б) сравнение необходимого числа теоретических тарелок при данном значении<br />
а при разделении двух веществ методами ректификации (J) и газовой хроматографии<br />
(2)<br />
[38] для капиллярной колонки с полисилоксаном SF-96 приводятся<br />
следующие значения ЭЧП (эффективное число пиков) для<br />
нормальных углеводородов: Тетрадекан - тридекан = 17,6; Гексадекан<br />
- пентадекан = 24,9. Связь ЭЧП с R 1n и с эффективностью<br />
колонки показана на рис. 1 [39]. В работе [40] при разделении<br />
гептана и октана на капиллярных колонках с эффективностью<br />
160 тыс. т.т. была достигнута величина ЭЧП = 71.<br />
1.5. НЕОБХОДИМОСТЬ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ<br />
РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ В ХРОМАТОГРАФИИ<br />
Многообразие подвижных и неподвижных фаз, нашедших<br />
применение в современной хроматографии, казалось бы, позволяет<br />
решить все задачи разделения веществ, возникающие в практике,<br />
путем подбора подходящей комбинации сорбента и подвижной<br />
фазы. Однако уже в первые годы развития хроматографии<br />
стало понятно, что одно лишь изменение природы неподвижной<br />
фазы или изменение растворяющей способности под-<br />
21
вижной фазы не могут обеспечить успех разделения во всех случаях.<br />
Важно также обращать внимание и на качество работы<br />
хроматографической колонки.<br />
В результате многочисленных исследований были выявлены<br />
два основных случая, когда изменение свойств неподвижной или<br />
подвижной фаз не могло обеспечить успех анализа, и на первый<br />
план выдвигались повышенные требования к качеству работы<br />
колонки.<br />
Первый случай связан с разделением смеси компонентов, обладающих<br />
очень близкими физическими характеристиками и<br />
имеющими сходную химическую структуру. Такими веществами<br />
являются, например, близкие изомеры органических соединений<br />
или вещества, содержащие в молекулах разные изотопы одного<br />
и того же элемента.<br />
Для двух соединений близкой химической природы, имеющих<br />
мало различающиеся температуры кипения, T hl и T h2 , в первом<br />
приближении можно записать равенство:<br />
In(V 2 /V 1 ) = 1п(р,°/ р 2 °), (1-47)<br />
в котором V x и V 2 - объемы удерживания разделяемых веществ,<br />
а р° и р° - их упругости пара при температуре колонки T. Упругость<br />
пара можно выразить следующим образом:<br />
, N /tv^f а-48)<br />
где AS eu и АН еи - энтропия и энтальпия испарения. При температуре<br />
кипения вещества T = Т шп упругость пара равна атмосферному<br />
давлению, то есть<br />
Логарифмируя, получим<br />
ASru<br />
АД«,<br />
р=е R -e RTh =1. (1-49)<br />
AH ev = T b AS ev . (1-51)<br />
Теперь упругость пара вещества при любой температуре<br />
можно выразить через его температуру кипения:<br />
р° = ехр ^- f l-It<br />
R \<br />
22<br />
T<br />
(1-52)<br />
Отсюда<br />
К = — 1 ехр .^.fl-^-ll. (1-53)<br />
Логарифмируя выражение (1-52) и подставляя результат в уравнение<br />
(1-47), получим:<br />
V 1 R V T J R<br />
Полагая, что для близкокипящих веществ энтропия испарения<br />
примерно одна и та же, т.е. AS 1 ~ AS 2 ~ AS ev , получим<br />
^=AS^(T h2 -T h ,\AS ev AT h _ (1_ 55)<br />
V 1 R K T ) RT<br />
Отношение объемов удерживания по определению равно коэффициенту<br />
относительной летучести а. Для двух веществ с очень<br />
близкими свойствами коэффициент а очень близок к единице.<br />
При этом In ос = (ос - 1). Таким образом<br />
и далее<br />
ьД = lnoc = ос-1 = А5 "' А7; (1-56)<br />
V 1<br />
RT<br />
a = \ + (AS ev I R)(ATJT) (1-57)<br />
для органических веществ с температурой кипения 100-200 0 C<br />
энтропия испарения по правилу Трутона [24] составляет 25-30<br />
энтропийных единиц (э.е.). Приняв в формуле (1-57) AS eu = 25 э.е.,<br />
Д7 КШ| = 1°С, a T = 450 К, что соответствует температуре колонки<br />
177 0 C, получим<br />
а= 1,03. (1-58)<br />
Для разделения двух веществ, имеющих такой коэффициент относительной<br />
летучести, до степени разделения R, равной единице,<br />
необходима эффективность колонки [33], равная<br />
п = 4/Д(а + 1)/(ос-1)] 2 =18400т.т. (1-59)<br />
Таким образом, если учесть, что обычные хроматографические<br />
колонки в большинстве случаев имеют эффективность, не<br />
превышающую 4-5 тыс. т.т., то приведенное выше рассмотрение<br />
показывает, что разделение двух веществ сходной химической<br />
природы, различающихся по температуре кипения на один гра-<br />
23
дус, определенно выходит за границы возможностей обычных<br />
наполненных колонок и требует более совершенных приемов.<br />
Между тем, такое или даже еще меньшее различие температур<br />
кипения характерно для многих изомерных пар и соединений,<br />
содержащих в молекуле один или несколько атомов разных изотопов<br />
одного и того же элемента.<br />
С другой стороны, наличие в составе изучаемого объекта<br />
большого числа компонентов, например в нефтяных фракциях,<br />
искусственных жидких топливах, сложных реакционных смесях,<br />
продуктах каталитических и фотохимических реакций, природных<br />
смесях типа эфирных масел и т.п., порождает специфические<br />
трудности, которые принципиально не могут быть преодолены<br />
путем изменения характера неподвижной фазы. Такого рода примеры<br />
представляют собой второй случай, когда для полного разделения<br />
всех компонентов смеси становится необходимым применение<br />
более прогрессивных аналитических приемов. Возвращаясь<br />
к формуле (1-36),<br />
R = R 1 n - (1-60)<br />
вспомним, что R 1n - это степень внутреннего разделения, которая<br />
зависит только от характера взаимодействия разделяемых веществ<br />
с неподвижной и подвижной фазами в хроматографическом процессе.<br />
Эта величина для большинства гомологов не превышает<br />
0,6-0,8. Поэтому чтобы добиться сколько-нибудь значительной<br />
степени разделения членов любого гомологического ряда необходимо<br />
обеспечить достаточно большую величину второго сомножителя,<br />
то есть получить достаточно большое число теоретических<br />
тарелок, характеризующее эффективность применяемой колонки.<br />
В предыдущем параграфе показано, что число пиков, входящих<br />
в состав многокомпонентной смеси веществ, которые могут<br />
разместиться на хроматограмме между пиками двух последовательных<br />
гомологов любого гомологического ряда, равно уменьшенной<br />
на единицу степени разделения этих гомологов. Харрелл<br />
и Перри [41] показали, что из-за неравномерного распределения<br />
пиков на хроматограмме эта величина, называемая эффективным<br />
числом пиков (ЭЧП) обычно достигает всего лишь 1/2-1/3<br />
своего теоретического значения.<br />
С учетом сказанного выше о величине R 1n , не превышающей<br />
для большинства гомологов 0,8, ясно, что разделение смеси веществ,<br />
содержащей более 10-15 компонентов между соседними<br />
гомологами, в достаточной для количественного расчета степени<br />
(R > 1/2), неизбежно требует применения хроматографических<br />
колонок с эффективностью более 10-20 тыс. т.т.<br />
24<br />
1.6. СВЯЗЬ ЭФФЕКТИВНОСТИ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО<br />
РАЗДЕЛЕНИЯ С ПАРАМЕТРАМИ ЭКСПЕРИМЕНТА<br />
В процессе поступательного движения по хроматографической<br />
колонке компактная вначале зона вещества (в идеальном случае<br />
описываемая 5-функцией Дирака!) постепенно расширяется.<br />
Чем менее интенсивно происходит процесс расширения, тем выше<br />
эффективность хроматографического процесса. Мерой скорости<br />
этого процесса является высота (H), эквивалентная теоретической<br />
тарелке. Эта величина определяется рядом частных процессов,<br />
влияние которых детально рассмотрено в работах [25, А2-А1].<br />
Для хроматографических пиков, форма которых чаще всего<br />
близка к кривой Гаусса, наблюдается характерное для таких кривых<br />
соотношение: ширина пика у основания а 0 , т.е. длина отрезка<br />
нулевой линии хроматограммы, отсекаемого касательными к<br />
сторонам пика в точках перегиба, равна 4а, где а - стандартное<br />
отклонение для данного пика, численно равное его ширине на<br />
уровне 0,882 его полной высоты. Отсюда по формулам (1-33) и<br />
(1-43) можно получить<br />
п = \Л) (1-61)<br />
H = L ^ VRJ<br />
(1-62)<br />
Если величины а и V R выразить в единицах длины колонки,<br />
то уравнение (1-62) легко преобразуется в<br />
H = - , (1-63)<br />
L<br />
отсюда видно, что величина H есть не что иное, как дисперсия<br />
хроматографического пика, отнесенная к единице длины колонки.<br />
Как известно, при любом случайном процессе результирующая<br />
дисперсия распределения является суммой вкладов отдельных<br />
факторов, определяющих полную ширину получающегося<br />
распределения. Это справедливо и для хроматографической зоны,<br />
расширяющейся в процессе движения по колонке под воздействием<br />
нескольких различных факторов, действующих независимо<br />
друг от друга. Основными из этих факторов являются неоднородность<br />
потока подвижной фазы, движущейся через зернистый<br />
слой сорбента, продольная диффузия вещества в подвижной и неподвижной<br />
фазах от центра хроматографической полосы к зо-<br />
25
нам меньших концентрации вещества впереди и позади нее, сопротивление<br />
массопередаче в подвижной и неподвижной фазах.<br />
Последние два фактора, обусловливающие определенную неравновесность<br />
хроматографического процесса, часто оказывают<br />
наибольшее влияние.<br />
В капиллярной хроматографии на расширение зон в колонке<br />
оказывает влияние параболический профиль скоростей в полой<br />
колонке, а для жидкостной хроматографии существенна также<br />
неравновесность процесса внутри застойных зон в частицах сорбента.<br />
Таким образом, можно записать:<br />
H = X H 1 . = H inh + H Dm + H Dsf + H rs + H rm + H n ,, (i .64)<br />
где H jnh - вклад в ВЭТТ, обусловленный неоднородностью потока<br />
в пористом зернистом слое сорбента, равный<br />
Я ш/,= 2 И' (1-65)<br />
где d p - диаметр частиц сорбента, X - коэффициент равномерности<br />
заполнения, близкий к единице для относительно крупнозернистого<br />
сорбента и быстро увеличивающийся при уменьшении<br />
размера частиц. В том случае, когда хроматографическая колонка<br />
представляет собой однородный канал со стенками, покрытыми<br />
сорбирующим слоем, как в капиллярной хроматографии, величина<br />
H inh считается равной нулю, так как неоднородность потока,<br />
связанная с его возмущениями при течении через слой дискретных<br />
частиц, в этом случае отсутствует [45].<br />
Напротив, в жидкостной хроматографии высокого разрешения<br />
выражение для H jnh становится более сложным:<br />
н м ~<br />
24<br />
d >j<br />
(1-66)<br />
Анализ этого выражения показывает, что при больших скоростях<br />
подвижной фазы и больших диаметрах частиц сорбента d p<br />
оно трансформируется в выражение (1-65). С другой стороны,<br />
при малых размерах частиц сорбента и малых скоростях подвижной<br />
фазы этот вклад увеличивается пропорционально скорости и<br />
второй степени размера частиц.<br />
Таким образом, в жидкостной хроматографии, в отличие от газовой,<br />
оказывается возможным получать очень малые величины<br />
ВЭТТ, даже меньшие, чем величина зерна применяемого сорбен-<br />
26<br />
та. Это позволяет получать в жидкостной хроматографии очень<br />
высокую эффективность разделения вплоть до нескольких тысяч<br />
теоретических тарелок на колонках длиной всего лишь несколько<br />
сантиметров [48, 49].<br />
Следует отметить, что именно такое сочетание экспериментальных<br />
параметров характерно для первых хроматографических<br />
опытов M.С. Цвета [1]. В его экспериментах были использованы<br />
порошкообразные адсорбенты (мел, крахмал, инулин и<br />
др.) с диаметром зерна порядка 5-10 мкм, которые можно использовать<br />
при очень малых перепадах давления (порядка<br />
10 4 Па) и, следовательно, при малых скоростях подвижных жидких<br />
фаз. При этом по современным расчетам достигалась эффективность<br />
до 5 тыс. т.т. на колонках с высотой слоя адсорбента<br />
около 5 см [49]. Таким образом, величина ВЭТТ в опытах<br />
M.С. Цвета составляла всего лишь 10~ 2 мм. Такой результат<br />
вполне мог бы сделать честь любому современному исследователю.<br />
Величина H Dm представляет собой вклад продольной молекулярной<br />
диффузии в подвижной фазе<br />
где D n - коэффициент диффузии вещества в подвижной фазе, у-<br />
коэффициент, учитывающий затрудненность диффузии молекул<br />
в извилистых каналах внутри зерен сорбента и между ними. Эта<br />
величина для зернистых слоев сорбентов обычно равна 0,5-0,6 и<br />
приближается к единице для идеального полого капилляра. В<br />
знаменателе этого выражения стоит значение линейной скорости<br />
подвижной фазы и. Ясно, что чем выше будет скорость подвижной<br />
фазы, тем меньше времени проведет данное вещество в<br />
колонке и, соответственно, тем меньше будет вклад продольной<br />
молекулярной диффузии в величину общего расширения хроматографической<br />
зоны.<br />
Вклад продольной молекулярной диффузии в неподвижной<br />
фазе, равный<br />
H Ds = lb£A (1-69)<br />
и<br />
как и предыдущий параметр пропорционален коэффициенту<br />
диффузии вещества в неподвижной фазе и обратно пропорционален<br />
скорости потока подвижной фазы и, в то же время, зависит<br />
от коэффициента емкости колонки к. Это связано с тем, что молекулы<br />
разных веществ проводят в неподвижной фазе различное<br />
время, которое и определяется величиной коэффициента к.<br />
27<br />
Ли
В современных хроматографических системах обычно вклады<br />
продольной диффузии (1-68) и (1-69) относительно невелики.<br />
В газовой хроматографии пренебрежимо мал и не учитывается<br />
член H Dst . Это касается и большинства вариантов жидкостной<br />
хроматографии.<br />
Природа вклада H rst , учитывающего сопротивление массопередаче<br />
в неподвижной фазе, может быть объяснена следующим<br />
образом. При наличии поступательного движения подвижной<br />
фазы в хроматографической колонке равновесное распределение<br />
концентраций сорбата между движущейся и неподвижной<br />
фазами, устанавливающееся в области, где в данный<br />
момент размещается этот сорбат, постоянно нарушается. В передней<br />
части зоны молекулы сорбата переносятся потоком<br />
подвижной фазы в область чистой неподвижной фазы, а в задней<br />
части зоны сорбент, содержащий сорбированные молекулы<br />
сорбата приходит в соприкосновение с чистой подвижной<br />
фазой. Таким образом, в передней части зоны имеет место переход<br />
молекул сорбата из подвижной фазы в неподвижную, а в<br />
задней части зоны, наоборот, молекулы сорбата переходят из<br />
неподвижной фазы в подвижную. Естественно, что и в центральной<br />
части зоны имеет место миграция молекул из неподвижной<br />
фазы в подвижную и обратно, однако там эти процессы<br />
в значительной степени уравновешиваются. Такие межфазные<br />
переходы молекул требуют некоторого времени, зависящего<br />
от скорости диффузии молекул в неподвижной фазе, толщины<br />
слоя сорбента, который должна преодолеть отдельная<br />
молекула, чтобы перейти в подвижную фазу, общего времени<br />
пребывания молекулы в неподвижной фазе. В результате этого<br />
часть молекул отстает в своем движении по колонке от центра<br />
масс хроматографической полосы, тогда как другие молекулы<br />
переносятся потоком подвижной фазы вперед, опережая<br />
основную массу вещества в хроматографической зоне. Это явление<br />
приводит к расширению зоны, которое может быть описано<br />
как дополнительный вклад, увеличивающий высоту, эквивалентную<br />
теоретической тарелке. В результате решения описывающей<br />
этот процесс системы дифференциальных уравнений<br />
получено следующее выражение для такого вклада<br />
[44-46]:<br />
8 к d 2 f<br />
H.=<br />
г&<br />
Ar ^r —-и, (1-70)<br />
к 2 (\ + к) 2 D 5<br />
где к - коэффициент емкости колонки, d f - толщина пленки неподвижной<br />
жидкой фазы (или длина пути диффузии в твердом<br />
28<br />
адсорбенте), D st — коэффициент диффузии сорбата в<br />
неподвижной фазе, и - линейная скорость подвижной фазы.<br />
Такое немгновенное установление концентрационного равновесия<br />
между фазами в хроматографической колонке часто<br />
рассматривают как результат наличия определенного сопротивления<br />
массопереносу в неподвижной фазе, связанного с конечной<br />
скоростью диффузии в ней молекул сорбата. Входящие<br />
в формулу (1-70) величины определенным образом модифицируются,<br />
применительно к газоадсорбционному и жидкостному<br />
вариантам хроматографии. В частности, в газоадсорбционной<br />
хроматографии функцию отношения распределения<br />
выполняет коэффициент Генри, а для величины d f в качестве<br />
грубого приближения можно использовать радиус частиц адсорбента,<br />
либо толщину адсорбционного слоя на стенках капилляра.<br />
Коэффициент диффузии D., в адсорбционной хроматографии<br />
является величиной, несколько меньшей, чем коэффициент диффузии<br />
в подвижной фазе, т.к. миграция молекул в толщу зерна<br />
адсорбента происходит в извилистых порах, заполненных подвижной<br />
фазой. При этом скорость диффузии молекул сорбата в<br />
толщу адсорбента (скорость внутренней диффузии) оказывается<br />
много меньшей, чем скорость самих процессов адсорбции и десорбции.<br />
Особенно четко это проявляется в случае жидкостной<br />
хроматографии [48, 49]. В подвижной фазе имеют место неравновесные<br />
явления, аналогичные рассмотренным выше. Сопротивление<br />
массопередаче в подвижной фазе вносит вклад в величину<br />
В ЭТТ, равный<br />
Н = ^JL и> (1-71)<br />
где d p - диаметр частиц сорбента, а со - константа, приближенно<br />
учитывающая вклады неравновесных явлений в каналах между<br />
частицами сорбента, внутри частиц в полостях, заполненных подвижной<br />
фазой, между потоками, движущимися в пористой среде<br />
с различными скоростями и т.п.<br />
Для пористого сорбента в газожидкостной хроматографии<br />
эта величина приблизительно равна [50, 51]:<br />
"М'-Ш] °' 72)<br />
Поэтому вклад H 1n , быстро уменьшается при уменьшении размеров<br />
зерен сорбента.<br />
29
Для капиллярных колонок, как будет показано далее, величина<br />
этого вклада равна [52]:<br />
О + Ц + Ш') ,_;£_,„<br />
24(1 + Jt) 2 AD n<br />
В этом выражении одновременно учитывается и вклад в величину<br />
ВЭТТ, связанный с параболическим распределением скоростей<br />
по диаметру полой капиллярной колонки.<br />
Проведенное Каном [53] строгое математическое решение<br />
дифференциальных уравнений диффузии и материального баланса<br />
в элементе хроматографической колонки dx показало, что<br />
существенный вклад в ВЭТТ вносит сопротивление массопередаче<br />
на поверхности раздела подвижной и неподвижной фаз. Этот<br />
вклад равен:<br />
Рис. 2. Кривые ван-Деемтера для<br />
гексана (а), гептана (б) и октана<br />
(в), полученные при 50 0 C на колонках,<br />
заполненных хромосорбом<br />
W AW-HMDS (60-80 меш) с<br />
полидиметилсилоксаном SF-96 в<br />
качестве неподвижной жидкой<br />
фазы (18,6% для равномерно нанесенной<br />
жидкой фазы; 5,8-31,6%<br />
для колонок с градиентом концентрации<br />
жидкой фазы)<br />
о - обычная колонка с равномерным<br />
распределением неподвижной<br />
фазы; Д - колонка с положительным<br />
градиентом содержания неподвижной<br />
фазы; V - колонка с отрицательным<br />
градиентом содержания<br />
неподвижной фазы<br />
а<br />
ВЭТТ, мм<br />
2 -\<br />
Д\<br />
Д<br />
—Д-<br />
0 2 4 6 8 10 12<br />
I<br />
I<br />
где k d - константа скорости десорбции молекул сорбата с поверхности<br />
сорбента.<br />
Наконец, влияние диффузии сорбата в застойные зоны в слое<br />
сорбента предложено описывать выражением<br />
Г Л 2<br />
H = а " (1-75)<br />
D '<br />
где C 5 . -коэффициент, учитывающий константу сорбционного<br />
равновесия и геометрию сорбционного слоя [54].<br />
Величина ВЭТТ, найденная суммированием величин, определяемых<br />
уравнениями (1-65)-(1-75), может быть представлена в<br />
упрощенном виде как сумма членов, независящих от скорости<br />
подвижной фазы (в первом приближении), членов пропорциональных<br />
скорости и членов, обратно пропорциональных ей:<br />
H = A + l + Cu, (1-76)<br />
где А, В и С - константы. В таком виде это выражение представляет<br />
собой известное уравнение Ван-Деемтера, справедливое и в<br />
газовой и в жидкостной хроматографии при не слишком малых<br />
скоростях подвижной фазы. Можно видеть, что выражение<br />
(1-76) - это уравнение гиперболы с минимумом при<br />
»ор=ЫВТс (1-77)<br />
30<br />
8 10 12<br />
Скорость<br />
газа-носителя,<br />
мл/мин<br />
и с асимптотой H = Си. В этом случае минимальная высота, эквивалентная<br />
теоретической тарелке, # min , равна<br />
Я„ ; =Л + 2л (1-78)<br />
Если в уравнении (1-76) вклад продольной молекулярной диффузии<br />
пренебрежимо мал, что, действительно имеет место при и ><br />
и„ р „ то это уравнение можно представить в форме<br />
H = А +Си (1-79)<br />
Экстраполируя это выражение к нулевому значению скорости<br />
подвижной фазы, можно получить величину А:<br />
H 0 = A = 2yd p (1-80)<br />
Показателем высокого качества заполнения хроматографической<br />
колонки, т.е. высокой степени упорядоченности слоя за-<br />
31
полняющих ее частиц сорбента, является близость к единице параметра<br />
у. Следовательно, в хорошо приготовленной хроматографической<br />
колонке предельно достижимое значение ВЭТТ может<br />
быть близким к удвоенному диаметру заполняющих колонку<br />
частиц сорбента:<br />
H lim= 2d p- (!_ 81 )<br />
Типичные примеры кривых Ван-Деемтера, полученных экспериментально,<br />
приведены на рис. 2 [55].<br />
При математическом анализе процессов высокоэффективной<br />
хроматографии удобно пользоваться приведенными параметрами:<br />
приведенной высотой, эквивалентной теоретической тарелке<br />
и приведенной скоростью подвижной фазы<br />
Н = Ц- (1-82)<br />
d P<br />
и = —. (1-83)<br />
«opt<br />
Поэтому к высокоэффективным хроматографическим процессам<br />
можно отнести такие процессы, в которых ВЭТТ имеет<br />
величину, близкую к удвоенному размеру частиц сорбента<br />
(/i = T). В жидкостной хроматографии при использовании колонок,<br />
заполненных мелкими однородными по размерам частицами<br />
сорбента, заполняющими колонку без пустот и неоднородностей<br />
плотности заполнения, в соответствии с уравнением (1 -<br />
66) ВЭТТ может быть даже меньше, чем 1d p . Именно это обстоятельство<br />
дает основание относить современные варианты<br />
жидкостной хроматографии к высокоэффективным хроматографическим<br />
процессам. Это отражается и в таких названиях,<br />
как высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ)<br />
или жидкостная хроматография высокого разрешения<br />
(ЖХВР). Именно такими процессами являются современные<br />
варианты нормально-фазовой и обращенно-фазовой молекулярной<br />
хроматографии, ион-парной и ионной хроматографии,<br />
в которых достигается удельная эффективность до<br />
50 тыс. т.т./м при длине колонок 50-250 мм. Хотя полная эффективность<br />
разделения в этих процессах составляет обычно<br />
2-10 тыс. т.т., именно максимально полное использование возможностей<br />
применяемого сорбента и всей хроматографической<br />
системы дает основание относить такие процессы к разряду<br />
высокоэффективных.<br />
32<br />
Таким образом, к числу высокоэффективных хроматографических<br />
процессов, рассматриваемых в этой книге, относятся, с одной<br />
стороны, процессы, которые обеспечивают полную эффективность<br />
разделения, превышающую 10-20 тыс. т.т., а, с другой<br />
стороны, процессы, в которых величина ВЭТТ близка к удвоенному<br />
диаметру зерна сорбента или меньше этой величины, т.е.<br />
согласно уравнению (1-82) h < 2. На практике хроматографический<br />
процесс считают высокоэффективным уже тогда, когда величина<br />
ВЭТТ превышает диаметр зерна сорбента в три и даже в<br />
четыре раза!<br />
Таким образом, можно рассматривать два пути увеличения<br />
эффективности хроматографического разделения, по крайней<br />
мере, в принципе. Один из этих путей, по-существу, экстенсивный,<br />
сводится к увеличению пути, проходимого хроматографической<br />
зоной по слою сорбента. И в газовой и жидкостной<br />
хроматографии это означает увеличение длины разделительных<br />
колонок.<br />
Второй путь, который следует рассматривать как интенсивный,<br />
заключается в том, чтобы в возможно более полной степени<br />
удовлетворить требования к условиям хроматографического<br />
эксперимента, вытекающие из анализа взаимосвязей между параметрами<br />
хроматографического опыта и его результатами. Если<br />
считать, что такая взаимосвязь удовлетворительно описывается<br />
уравнением Ван-Деемтера или каким-либо аналогичным<br />
выражением, можно заключить, что увеличения общей эффективности<br />
разделения в хроматографическом процессе, т.е. максимального<br />
уменьшения ВЭТТ, можно добиться, уменьшая те параметры<br />
этого уравнения, которые вносят наиболее существенный<br />
вклад в величину ВЭТТ. В практически приемлемых условиях -<br />
это первый и третий члены уравнения Ван-Деемтера.<br />
Первый член, А = Id 11 X, можно уменьшить, применяя сорбент с<br />
возможно малой величиной зерна и с минимальным разбросом его<br />
размеров. Опыт, накопленный в области газожидкостной хроматографии,<br />
показывает, что уменьшение размеров зерна ниже<br />
0,05 мм при обычных приемах заполнения колонки и при использовании<br />
сорбентов с зернами неправильной формы не приводит к<br />
дальнейшему уменьшению величины А вследствие возрастания<br />
коэффициента X. Однако, как будет показано ниже, этот предел<br />
успешно преодолевается в жидкостной хроматографии высокого<br />
разрешения путем применения специально приготовленных сорбентов<br />
с зернами строго сферической формы при очень малом<br />
разбросе их размеров. Применение сорбентов с размером зерна<br />
5, 3 и даже 2 мкм в сочетании с особыми приемами заполнения<br />
колонок позволило уверенно получать колонки с эффективностью<br />
2. Руденко Б.А. Т. 1 33
до 2500 т.т./см [56, 57]. При длине колонок для жидкостной хроматографии<br />
высокого разрешения 4-5 см их полная эффективность<br />
достигает 10-15 тыс. т.т., что, несомненно, следует рассматривать<br />
как весьма высокий результат. Именно такие результаты и дают<br />
основания для наименования этого варианта хроматографического<br />
метода высокоэффективной жидкостной хроматографией. В<br />
газовой хроматографии снижение размеров зерна сорбента пока<br />
не оказалось столь же плодотворным, т.к. до настоящего времени<br />
не удалось найти столь же действенные приемы заполнения колонок<br />
очень мелкозернистыми сорбентами, как в жидкостной хроматографии.<br />
Тем не менее, как будет показано далее, и в газовой<br />
хроматографии существенное уменьшение размеров зерна сорбентов<br />
позволило в ряде случаев добиваться весьма высокой полной<br />
эффективности при ограниченной длине колонок.<br />
Ситуация, связанная с влиянием сопротивления массообмену на<br />
эффективность хроматографического разделения, более сложна.<br />
Увеличение скорости подвижной фазы приводит к нарушению равновесия<br />
между подвижной и неподвижной фазами. Феноменологически<br />
это проявляется в том, что зона компонента в неподвижной<br />
фазе как бы отстает от зоны в подвижной фазе. Это приводит к<br />
размыванию хроматографической зоны, характерному для неидеальной<br />
хроматографии. Такое размывание может быть описано<br />
как определенный вклад в эффективный коэффициент диффузии<br />
в колонке, описываемый третьим членом уравнения Ван-Деемтера,<br />
Си. Этот вклад пропорционален скорости подвижной фазы и зависит<br />
от величины пути диффузии в неподвижной фазе (толщины<br />
сорбционного слоя или толщины пленки неподвижной фазы d f и от<br />
сорбционного коэффициента данного вещества к. Стремление<br />
уменьшить эти величины привело к созданию пелликулярных (поверхностно-слойных)<br />
сорбентов в жидкостной хроматографии и к<br />
разработке сорбентов с очень малым содержанием неподвижной<br />
жидкой фазы в газожидкостной хроматографии.<br />
В последующих главах рассмотрены разработанные в настоящее<br />
время и применяемые в исследовательских и контрольно-аналитических<br />
лабораториях хроматографические процессы такого<br />
типа и подробно обсуждены возможности применения таких процессов<br />
для высокоэффективной аналитической и препаративной<br />
хроматографии.<br />
ЛИТЕРАТУРА<br />
1. Цвет M.С. //Tp. Варшав. об-ва естествоиспытателей. Отд. биологии.<br />
1903. T. 14, разд. 6. С. 20.<br />
2. Konsden R., Gordon А.Н., Martin A.J.P. // Biochem. J. 1944. Vol. 38. P. 225.<br />
3. Измайлов НА., Шрайбер М.С. Il Фармация. 1938. № 3. С. 225.<br />
34<br />
4. Kirchner J.G. Thin-layer chromatography. N.Y.: Wiley. 1979. Рус. пер.:<br />
Тонкослойная хроматография. M. Мир, 1981.<br />
5. James А.Т., Martin AJ.P. // Biochem. J. 1952. Vol. 50. P. 679.<br />
6. GiI-Av E., Herling J., Shabtai J. // Chem. and Industry. 1957. P. 1483.<br />
7. Longer S.H., Zahh C, Pantazoplos G. Il Ibid. 1958. P. 1145.<br />
8. Lovelock G.E. // Nature. 1958. Vol. 181. P. 1462.<br />
9. McWilliam I.G., Dewar R.A. // Ibid. P.760.<br />
10. Landowne R.A., Lipsky S.R. II Anal. Chem. 1962. Vol. 34, N 7. P. 726-730.<br />
11. Golay MJ.E. Il Nature. 1957. Vol. 180. P. 435.<br />
12. Evans D., TatlowJ. //J. Chem. Soc. 1955. P. 1184.<br />
13. Dinelli D., Polezzo S., Taramasso M. //J. Chromatogr. 1962. Vol. 7. P. 447.<br />
14. Technical Publication Bulletin. Evanston (111.): Preston Techn. Abstr. со,<br />
1973. N 161.<br />
15. Литвин E.Ф., Литвинова Э.М. Газовая хроматография: Библиогр.<br />
указ. лит. T. 1. M.: Изд-во АН СССР. 1962; T. 2-6. M.: Наука.<br />
1968-1983.<br />
16. Calvin M. Chemical evolution. Oxford: Clarendon. 1970. Рус. пер.: Химическая<br />
эволюция. M.: Мир, 1972.<br />
17. Kim AJ., Douglas LJ. //J. Chromatogr. Sci. 1973. Vol. 11. P. 615.<br />
18. Savada J. // Quart. J. Seismol. 1970. Vol. 35. P. 55.<br />
19. Brazhnikov V.V., Mukhin L.M. //Chromatogr. Rev. 1971. Vol. 15. P. 151.<br />
20. Rushneck D.R., Diar A.V., Howarth D.W. et al. // Rev. Sci. Instrum. 1978.<br />
Vol. 49, N6. P. 817-834.<br />
21. Keulemans A.I.M. Gas chromatography. N.Y.: Reinhold. 1958. Рус. пер.:<br />
Хроматография газов. М.: Мир, 1959.<br />
22. James AT., Martin AJ.P. // Analyst. 1952. Vol. 77. P. 915.<br />
23. Фукс HA. H Успехи химии. 1956. T. 25, № 7. С. 845-858.<br />
24. Пригожий H., Дефей П. Химическая термодинамика. Новосибирск:<br />
Наука. 1962.<br />
25. Dal Nogare S.,Juvet R.S. Gas-liquid chromatography: Theory and practice.<br />
N.Y.: L.: Interscience. 1962. Рус. пер.: Газожидкостная хроматография.<br />
JI.: Недра, 1966.<br />
26. LittlewoodA.B., Phillips CS J., Price DT. //J. Chem. Soc. 1955. P. 1480.<br />
27. Hoare M.R., Purnell J.H. // Research. 1955. Vol. 8. P.541.<br />
28. Cartoni GP., LibertiAJ. /IJ. Chromatogr. 1960. Vol. 3. P. 121.<br />
29. Purnell H. Gas chromatography. N.Y.: Wiley, 1962.<br />
30. Giddings J.C. Il J. Chromatogr. 1960. Vol. 4. P. 11.<br />
31. Baumann F., Klaver R.F., Johnson J.S. Il Gas chromatography / Ed. M. van<br />
Swaay. L.: Butterworths, 1962. P. 152.<br />
32. GlueckaufE. //Trans. Faraday Soc. 1955. Vol. 51. P. 34.<br />
33. Philipps C.S.G. Gas chromatography. L.: Butterworths, 1956.<br />
34. Pure and Appl. Chem. 1964. Vol. 8. P. 553.<br />
35. Ettre L.S. Open tubular columns in gas chromatography. N.Y.: Plenum<br />
press, 1965.<br />
36. Hurrell R.A., Perry S.G. Il Nature. 1962. Vol. 196. P. 571.<br />
37. Kaiser R. Il Ztschr. anal. Chem. 1962. Bd. 189. S. 1.<br />
38. Ettre L. Introduction to open tubular columns. Norwalk (Conn.): Perkin-<br />
Elmer, 1978.<br />
35
39. Harris W.E., HabgoodH.W. Programmed temperature gas chromatography.<br />
N.Y.: Wiley. 1966. Рус. пер.: Газовая хроматография с программированием<br />
температуры. M.: Мир, 1968.<br />
40. Polgar A.G., Hoist JJ., Groennings S. Il Anal. Chem. 1962. Vol. 34.<br />
P. 1226.<br />
41. Hurrell R.A., Perry S.G. Il Nature. 1962. Vol. 196. P. 571.<br />
42. Lapidus L., Amundson N.R. // J. Phys. Chem. 1947. Vol. 56. P. 984.<br />
43. Klinkenberg A., Sjenitzer F. I I Vapor phase chromatography / Ed.<br />
D.H. Desty. N.Y.: Acad, press, 1957. P. 15.<br />
44. Giddings JC, Eyring H. // J. Phys. Chem. 1955. Vol. 59. P. 416.<br />
45. Giddings J.C. Dynamics of chromatography: Principles and theory. Pt 1.<br />
Gas chromatography. N.Y.: Dekker, 1965.<br />
46. Van Deemter JJ., Zuiderweg FJ., Klinkenberg A. // Chem. Eng. Sci. 1956.<br />
Vol. 5. P. 271.<br />
47. Jones W.L. II Anal. Chem. 1961. Vol. 33. P. 829.<br />
48. Yost R.W., Ettre L.S., Conlon R.D. Practical liquid chromatography: An<br />
introduction. Norwalk (Conn.): Perkin-Elmer, 1980.<br />
49. Стыскин ЕЛ., ИциксонЛ.Б., Брауде Е.В. Практическая высокоэффективная<br />
жидкостная хроматография. M., Химия, 1986.<br />
50. KnoxJ.H., Saleem M. //J. Chromatogr. Sci. 1969. Vol. 7, N 10. P. 614-622.<br />
51. KnoxJ.H., Saleem M. // Ibid. Vol. 12, N 11. P. 745-751.<br />
52. GolayMJ.E. //Gas chromatography: Proc. of the 2nd Symp. in Amsterdam,<br />
1958 I Ed. D.H. Desty. L.: Butterworths. 1958. Рус. пер.: Газовая хроматография.<br />
M.: Изд. иностр. литер., 1961. С. 39-60.<br />
53. Khan M.А. // Nature. 1960. Vol. 186. N 47. P. 800-801.<br />
54. Giddings J.C. //J. Chromatogr. 1961. Vol. 5, N 1. P. 46-60.<br />
55. Руден/со £.Л.//Журн.аналит. химии. 1981. T. 36, № 11. С. 2180-2190.<br />
56. Шатц В Д., Сахартова OB. Высокоэффективная жидкостная хроматография.<br />
Рига: Зинатне. 1988.<br />
57. Беленький Б.Г., Ганкина Е.С., Мальцев ВТ. Капиллярная жидкостная<br />
хроматография. JI.: Наука, 1987.<br />
Глава 2<br />
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНАЯ<br />
ГАЗОВАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ<br />
НА НАПОЛНЕННЫХ КОЛОНКАХ<br />
Описанные Мартином и Джеймсом в 1952 г. первые газохроматографические<br />
колонки [1-3] имели длину от 1 до 3 м. В качестве<br />
твердого носителя был использован целит 545 - диатомитовый<br />
материал с очень малой величиной зерна (0,05-0,1 мм). При<br />
заполнении колонок рекомендовалось дополнительно уплотнять<br />
слой сорбента деревянной трамбовкой по мере возрастания длины<br />
слоя сорбента. Авторы тогда еще не указывали эффективность<br />
применявшихся ими колонок, однако опубликованные в их<br />
первых статьях хроматограммы позволяют оценить эту эффективность<br />
в 2-3 тыс. т.т. Эти значения эффективности намного<br />
превосходили эффективность известных ранее хроматографических<br />
систем и поэтому производили впечатление весьма значительных.<br />
Быстрое развитие газовой хроматографии в 1953-1958 гг. показало<br />
много примеров, когда большие усилия затрачивались для<br />
создания все более эффективных газохроматографических колонок.<br />
В решении этой задачи наметились два пути. Первый из них<br />
продолжал линию ранних публикаций Мартина и Джеймса - применение<br />
мелкозернистых сорбентов при очень плотном заполнении<br />
колонок. На этом пути рядом исследователей были достигнуты<br />
впечатляющие результаты [4-8]. В 1958 г. английская фирма<br />
Руе выпустила в продажу один из первых коммерчески доступных<br />
хроматографов, Руе Argon Chromatograph, снабженный набором<br />
прямых стеклянных колонок длиной 4 фута (1 м 20 см), плотно<br />
заполненных целитом 545, содержащим 15% популярных в то<br />
время неподвижных жидких фаз (апиезон L, динонилфталат, полиэтиленгликоль,<br />
полиэтиленгликольадипинат (Реоплекс 400),<br />
полидиметилсилоксан Е-301) [9]. При относительно небольшой<br />
длине эти колонки имели высокую эффективность, достигавшую<br />
37
I 1 l _ l I I<br />
Время, мин 190 180 170 160 150<br />
6<br />
Рис. 3. Хроматограмма смеси стереоизомерных убихинонов общей формулы<br />
(СНз)2С=[СНСН 2 СН 2 С(СНз)=] п СНСН 2 СН 2 С(СНз)(ОСНз) 2 , полученная<br />
на хроматографе "Пай-Аргон" с колонкой дл. 1 м 20 см с Целитом<br />
545, содержащим 10% Апиезона L при 225 0 C и объемной скорости<br />
газа-носителя (аргона) 60 мл/мин<br />
Цифры на рисунке соответствуют следующим стереоизомерам:<br />
/ - я = 1, цис-; 2 - п = 1, транс-; 3 - п = 2, цис-цис-; 4 - п = 2, транс-цис-;<br />
5 — л = 2, цис-транс-; 6 - п = 2, транс-транс-; 7 - п = 3, цис-цис-цис-;<br />
8 - п = 3, транс-цис-цис-; 9 - п = 3, цис-транс-цис-; 10 - п = Ъ, цис-цис-транс-;<br />
11 -п = 3, транс-транс-цис-; 12 -п = 3, т'ранс-цис-транс-; 13 - я = 3, цис-транстранс-;<br />
14 - п = 3, транс-транс-транс-.<br />
3000-3500 т.т. Интересно отметить, что при попытке опорожнить<br />
такую колонку и вновь заполнить ее тем же сорбентом, в<br />
колонку удавалось поместить не более 80% ранее заполнявшего<br />
ее материала даже при использовании достаточно энергичных<br />
вибраторов.<br />
Высокая эффективность при плотном заполнении колонок<br />
сопровождалась значительным сопротивлением газовому потоку.<br />
Так, те же колонки хроматографа фирмы Руе требовали давление<br />
на входе около 1,5 кг/см 2 при объемной скорости аргона<br />
всего лишь 20-30 мл/мин [10]. Типичный пример полученной на<br />
колонке с апиезоном L прибора Руе хроматограммы смеси изомеров<br />
сложных соединений, убихинонов, участвующих в процессе<br />
клеточного дыхания, приведен на рис. 3.<br />
В дальнейшем приготовление высокоэффективных хроматографических<br />
колонок продолжало совершенствоваться в течение<br />
весьма длительного времени. В 1966 г. Майерс и Гиддингс<br />
[11] описали процесс приготовления высокоэффективных газоадсорбционных<br />
колонок длиной от 65,3 см до 2 м и диаметром<br />
0,47 мм, заполненных мелкозернистым оксидом алюминия с ве-<br />
38<br />
личиной зерна 7-22 мкм. Расположенные вертикально прямые<br />
колонки из нержавеющей стали с миниатюрной воронкой для адсорбента<br />
на верхнем конце и с закрытым нижним концом сбрасывали<br />
с небольшой высоты, постепенно создавая плотный слой<br />
адсорбента подобно тому, как в органической химии заполняют<br />
капилляры исследуемым веществом для определения его температуры<br />
плавления. Такой процесс заполнения колонок был<br />
очень трудоемким и длительным и требовал несколько часов для<br />
заполнения колонки адсорбентом с величиной зерна около<br />
13 мкм и несколько дней при использовании адсорбентов с меньшей<br />
величиной частиц. В некоторой степени такая трудоемкость<br />
компенсировалась возможностью одновременного заполнения<br />
нескольких колонок, связанных в пучок. Полученные таким образом<br />
колонки позволяли достичь очень высокую эффективность,<br />
но, в то же время, требовали очень больших перепадов давлений<br />
для обеспечения приемлемых скоростей газа-носителя.<br />
При выходном давлении, близком к 1 кг/см 2 , входное давление газа-носителя<br />
(гелия) в опытах Майерса и Гиддингса достигало<br />
100-150 кг/см 2 .<br />
Полученные в этих экспериментах графики зависимости высоты,<br />
эквивалентной теоретической тарелке, от давления на входе<br />
показывали четко выраженные минимумы в области<br />
50-100 кг/см 2 , причем в области оптимумов значения ВЭТТ были<br />
равны 0,1-0,2 мм, то есть эффективность колонок, приготовленных<br />
описанным выше способом, составляла 2300-12140 т.т./м.<br />
Наилучшие результаты были получены при величине зерна адсорбента<br />
13 мкм. Заполненная таким адсорбентом колонка длиной<br />
2 м показала полную эффективность 24300 т.т.<br />
Эффективность колонок, заполненных адсорбентом с величиной<br />
зерна 2,7 и 7 мкм была существенно ниже, хотя и составляла<br />
значительную величину, 2800 и 5000 т.т./м, соответственно.<br />
Такое различие объясняется значительно большими трудностями<br />
равномерного заполнения колонок адсорбентами с частицами<br />
столь малого размера. С другой стороны, метровая колонка с адсорбентом,<br />
имеющим величину зерна 6 мкм имела эффективность<br />
7800 т.т. (по н-бутану), причем такая эффективность достигалась<br />
при существенно меньших давлениях на входе<br />
(20-50 кг/см 2 ) по сравнению с колонками, заполненными адсорбентами<br />
с меньшей величиной зерна адсорбента.<br />
Работающие при высоких давлениях на входе колонки с мелкозернистым<br />
адсорбентом отличаются высоким быстродействием.<br />
Так, разделение смеси углеводородных газов, содержащих пропан,<br />
нормальный бутан, мзо-бутан и смесь бутиленов, осуществляется<br />
на метровой колонке, заполненной оксидом алюминия с<br />
39
величиной зерна 13 мкм при 25°С и входном давлении 172,6 кг/см 2<br />
менее, чем за 1 мин. При этом обеспечивается быстродействие до<br />
100-400 т.т./сек и выше.<br />
Авторы рассмотренной работы в своих экспериментах не делали<br />
попыток уменьшить отношение входного и выходного давлений<br />
путем увеличения последнего. Весьма возможно, что это<br />
могло бы привести к существенному дополнительному увеличению<br />
эффективности применявшихся ими колонок. Сопоставляя<br />
эти данные с более ранними результатами Картера [12] и Вируса<br />
[13], которые работали с колонками диаметром 0,25-1,0 мм, заполненными<br />
сорбентами с величиной зерна 10-100 мкм, Майерс<br />
и Гиддингс справедливо отмечают, что относительно низкая эффективность<br />
колонок в этих более ранних экспериментах (ВЭТТ<br />
0,7-1,1 мм для колонки диаметром 0,5 мм) объясняется очень малыми<br />
давлениями на входе (0,1-2,0 кг/см 2 ) и, следовательно, малыми<br />
скоростями подвижной фазы в колонках.<br />
К сожалению, работы Майерса и Гиддингса не получили<br />
дальнейшего развития. Это связано с тем, что большинство газохроматографических<br />
приборов, выпускавшихся ранее и выпускающихся<br />
в настоящее время, рассчитаны на использование значительно<br />
меньших входных давлений (обычно до 10 кг/см 2 ), чем<br />
требуется для работы с колонками, плотно заполненными сорбентами<br />
с частицами диаметром менее 0,05 мм.<br />
Интересный вариант быстродействующих и достаточно эффективных<br />
колонок описан в работе Халаша и Герлаха [14], изучавших<br />
стеклянные колонки диаметром 0,4 мм, заполненные<br />
мелкозернистым оксидом кремния, аэросилом, с величиной зерна<br />
около 1 мкм. Отрезок стеклянной трубки с внутренним диаметром<br />
2,2 мм и толщиной стенки 1,9 мм заполняли мелкими гранулами<br />
аэросила. Эти гранулы получали, высушивая гель, образующийся<br />
при смачивании порошка аэросила четыреххлористым<br />
углеродом. Остаток после испарения растворителя измельчали в<br />
ступке и отделяли наиболее мелкозернистую фракцию путем сепарации<br />
в наклоненной под углом 30° вибрирующей чашке. Заполненную<br />
полученным адсорбентом стеклянную трубку далее<br />
вытягивали в капилляр диаметром 0,4 мм [15-17]. Температура<br />
размягчения стекла была при этом около 560 0 C. Полученные таким<br />
образом колонки содержали около 7,5 мг аэросила на 1 м<br />
длины. При этом твердый адсорбент занимал всего лишь около<br />
2,5% общего объема колонки (эта величина составляет 20-24%<br />
для обычных газохроматографических колонок, заполненных<br />
хромосорбом P с величиной зерна 0,08-0,02 мм).<br />
Такие колонки, которые было предложено называть "аэрогелевыми",<br />
имеют проницаемость, равную (0,3-0,9) х 10~ 7 см 2 ,<br />
40<br />
1 1 1 1 1<br />
Время, сек 2 1,5 1 0,5 0<br />
4 2<br />
Время, сек 30 20 10 0<br />
Рис. 4. Разделение углеводородов на аэрогелевой колонке<br />
а - температура колонки 25°С; Ap 4 кг/см 2 : 1 - метан; 2 - пропан; 3 - пропилен;<br />
б - температура колонки 71 0 C, Ap 6 кг/см 2 : / - м-пентан; 2 - пентен-1;<br />
3 - З-метилбутен-1; 4 - 2-метилбутен-2<br />
что примерно в 33 раза меньше, чем проницаемость колонок малого<br />
диаметра с величиной частиц сорбента 0,1-0,15 мм. Достигнутая<br />
с их помощью эффективность соответствует высоте, эквивалентной<br />
теоретической тарелке, равной примерно 0,4 мм, так<br />
что колонки длиной всего 20 см имели эффективность порядка<br />
11000 т.т. При этом число эффективных теоретических тарелок<br />
было равно 400, а длительность процесса хроматографического<br />
разделения метана, пропана и пропилена при 25°С не превышала<br />
2 сек (рис. 4а). На аэрогелевой колонке длиной 1,6 м при 71 0 C за<br />
25 сек достигается разделение пентана, пентена-1 и трех изомерных<br />
метилбутенов (рис. 46). Применение в качестве газа-носителя<br />
водорода, увлажненного пропусканием над десятипроцентным<br />
раствором сульфата натрия, позволило разделить на такой колонке<br />
смесь 14 углеводородов от метана до гексана всего за<br />
60 сек при 27°С (рис. 5). Перепад давления на колонке при этом<br />
составлял 4 кг/см 2 .<br />
Рис. 5. Хроматограмма смеси углеводородов<br />
C 1 -C 6 , полученная<br />
на аэрогелевой колонке дл. 1,6 м<br />
при 27 0 C и До 4 кг/см 2<br />
/ - метан; 2 - этан; 3 - пропан;<br />
4 - пропилен; 5 - изобутан; 6 - н-бутан;<br />
7 - бутен-1; 8 - изо-пентан; 9 - н-пентан;<br />
10-пентен-1; // -З-метилбутен-1;<br />
12 - 2-метилбутен-1; 13 - 2-метилбутен-2;<br />
14 - н-гексан Время.сек 60<br />
41
Другой подход к проблеме повышения эффективности газохроматографического<br />
разделения заключался в простом увеличении<br />
длины применяемых колонок. Были описаны многочисленные<br />
примеры применения колонок длиной 3-6 м и более<br />
[18-21]. По-видимому, наиболее впечатляющими в этот период<br />
являются работы Скотта [22-25]. В этих работах было установлено,<br />
что при удлинении колонки ее эффективность, выраженная<br />
числом теоретических тарелок, растет пропорционально ее<br />
длине примерно до 15 м. При дальнейшем увеличении длины колонки<br />
рост ее эффективности замедляется вследствие того, что<br />
отношение давлений газа-носителя на входе и выходе колонки<br />
становится очень большим, так что значительная часть колонки<br />
начинает работать при слишком больших скоростях подвижной<br />
фазы, намного превышающих оптимальные значения. При атмосферном<br />
давлении на выходе колонки это отношение составляло<br />
6,7-8,2.<br />
Для устранения этого нежелательного эффекта на выходе<br />
колонки устанавливали пневмосопротивления — тонкие капилляры<br />
или диафрагмы с очень малыми отверстиями, позволяющие<br />
поддерживать на выходе колонки давление до нескольких<br />
атмосфер. При соответствующем увеличении давления на входе<br />
в колонку отношение входного и выходного давлений оказалось<br />
возможным поддерживать на уровне, не выше 1,2.<br />
Для уменьшения влияния сопротивления массообмену при<br />
высоких скоростях га-за-носителя Скотт применял абсорбенты с<br />
малым содержанием неподвижной жидкой фазы (апиезон L), равным<br />
5% и даже 2,5% от массы твердого носителя. В качестве<br />
твердого носителя использовали дробленый огнеупорный кирпич<br />
С-22 фирмы Джонс-Мэнвилл (США) с размерами зерна<br />
100-120 меш (0,1-0,12 мм). Для снижения влияния коэффициента<br />
неоднородности заполнения колонки (первого члена уравнения<br />
Ван-Деемтера) Скотт предложил уменьшать диаметр колонки до<br />
2,2 мм. В экспериментах Скотта колонки длиной 15-18 м собирали<br />
путем последовательного соединения секций, каждая из которых<br />
имела длину 3 м. Газом-носителем служил аргон, а детектирование<br />
разделенных фракций осуществляли с помощью пламенно-температурного<br />
[25] или аргонового ионизационного [26] детекторов.<br />
При величине пробы порядка 15 мкг в опытах Скотта<br />
была достигнута эффективность 12-18 тыс. т.т. для гептана и более<br />
30 тыс. т.т. для о-ксилола. При температуре 78 0 C время удерживания<br />
о-ксилола составляло 240 мин, что, конечно, неприемлемо<br />
с точки зрения современных требований к организации химического<br />
анализа. При использовании более высоких скоростей<br />
газа-носителя [22] удавалось снизить вдвое время удерживания<br />
42<br />
^-ксилола (до 120 мин) за счет снижения эффективности разделения<br />
до 12 тыс. т.т. Однако и такое время удерживания следует<br />
считать чрезмерно длительным.<br />
Наполненные колонки большой длины изучали также Майерс<br />
и Гиддингс [27]. Эти авторы использовали колонки, изготовленные<br />
из медных трубок диаметром 2,4 мм и заполненные Хромосорбом<br />
P с величиной зерна 50-60 меш, содержащим 5% силиконовой<br />
жидкости DC-200. Отрезки трубки длиной 50 футов<br />
(15 м) заполняли указанным выше абсорбентом и соединяли между<br />
собой до достижения желаемой длины. При этом соединительные<br />
детали также заполняли тем же абсорбентом. Таким образом<br />
были приготовлены и изучены колонки длиной 195, 900 и<br />
1200 м. При заполнении колонок 15-ти метровые секции подвешивали<br />
вертикально и заполняли абсорбентом в потоке газа, подаваемого<br />
через сосуд с абсорбентом при значительном давлении.<br />
Перед окончанием процесса заполнения сорбент подвергали<br />
уплотнению с помощью вибрационной дрели, которую прижимали<br />
к колонке и продвигали вверх и вниз по всей длине секции. Заполнение<br />
секции колонки заканчивали, когда скорость газа на ее<br />
выходе становилась постоянной при входном давлении 60 кг/см 2 .<br />
Далее для экспериментов использовали только те секции, в которых<br />
скорость газа отличалась не более, чем на 10% от среднего<br />
значения. После соединения секций полученные колонки скручивали<br />
в спираль и устанавливали в термостат хроматографа. В рабочих<br />
условиях давление газа-носителя на входе в колонку измеряли<br />
с точностью ±0,25%. Все эксперименты с такими колонками<br />
выполняли при 25°С. В качестве тестовых веществ использовали<br />
метан и бутан. Рабочие характеристики приготовленных колонок<br />
были изучены в диапазоне входных давлений от 10-15 до<br />
140 кг/см 2 . При этом было показано, что ВЭТТ изменяется с давлением<br />
в согласии с теорией и описываются кривыми с четко выраженным<br />
минимумом при давлении около 25-30 кг/см 2 для колонок<br />
длиной 195 м и 35^0 кг/см 2 для колонок большей длины.<br />
Однако наклон этих кривых с ростом давления уменьшается, что<br />
не соответствует классической теории. При давлениях, близких к<br />
оптимальным, наблюдаемые значения ВЭТТ по метану составляли<br />
для всех трех изученных колонок примерно 0,7-1,0 мм, так что<br />
полное число теоретических тарелок составляло 350, 880 и<br />
1250 тыс. т.т. для колонок длиной 195,900 и 1200 м, соответственно.<br />
Для бутана найденные величины полной эффективности колонок<br />
были несколько меньше и составляли, соответственно 250,<br />
750 и 1000 тыс. т.т.<br />
Хотя в этих экспериментах Майерса и Гиддингса и были достигнуты<br />
весьма высокие величины полного числа теоретических<br />
43
тарелок, превышающие 1 млн т.т., удельная эффективность колонок<br />
не превышала одной тысячи т.т. на 1 м длины. Число эффективных,<br />
пёрнелловских т.т., рассчитанных с учетом времени<br />
удерживания несорбирующегося компонента, также было заметно<br />
меньше. В настоящей публикации не приведены хроматограммы<br />
или данные об объемах удерживания использованных в работе<br />
веществ в изученных экспериментальных условиях. Однако в<br />
первом приближении можно считать, что время удерживания метана<br />
было примерно в 8-10 раз меньше, чем время удерживания<br />
бутана. Считая, что время удерживания метана близко к времени<br />
удерживания несорбирующегося компонента, можно подсчитать,<br />
что для бутана число эффективных т.т. п' примерно равно 0,8 от<br />
полного числа т.т. данной колонки. В этом случае удельная эффективность<br />
всех рассматриваемых колонок по бутану не превысит<br />
одной тысячи т.т. на 1 м длины колонки, что вряд ли можно<br />
считать высокой эффективностью. В то же время полная эффективность<br />
всей хроматографической системы была достаточно<br />
высока, хотя она достигалась исключительно за счет экстенсивных<br />
факторов - значительного увеличения длины колонки и высоких<br />
давлений на ее входе.<br />
Весьма интересны полученные Майерсом и Гиддингсом в<br />
этих экспериментах зависимости скорости генерирования теоретических<br />
тарелок. Полученные данные показывают, что сопряженная<br />
теория Гиддингса [28] лучше описывает процесс газовой<br />
хроматографии при больших перепадах давления в колонках,<br />
чем классическая теория. Приведенные в статье Майерса и Гиддингса<br />
результаты указывают, что для всех исследованных колонок<br />
характерен рост скорости генерации теоретических тарелок<br />
с давлением на входе до 25-35 кг/см 2 , после чего эта скорость остается<br />
постоянной вплоть до наибольших изученных давлений,<br />
равных 140-150 кг/см 2 . Такое постоянство скорости генерации<br />
т.т. при больших давлениях соответствует предсказаниям сопряженной<br />
теории Гиддингса, что следует из приводимого ниже рассмотрения.<br />
Рассмотрим два предельных случая:<br />
Pi' Po -» 1<br />
Pi I Po -> °°<br />
Согласно классической теории, высота, эквивалентная теоретической<br />
тарелке, равна<br />
H-A +Bl и +C 1 M' + C 1 U (2-1)<br />
44<br />
По сопряженной теории Гиддингса:<br />
1<br />
" = 1<br />
, I/A +1/C n и<br />
+ — + С,и (2-2)<br />
Промежуточная область требует введения поправочных коэффициентов<br />
на падение давления в колонке:<br />
где<br />
H =<br />
H = [A + Blu + C<br />
п MA n +\IC gn<br />
• + • В<br />
u 0 ]f x +C { u 0 j<br />
и fi+c tuj,<br />
(2-3)<br />
(2-4)<br />
9(P-I)(P 2 -!) ,(P-D<br />
^ = 8 (P 3 -I) 2 ; J = 3,2 JpTZfi' T * eP = Pi,Po (2 ' 5)<br />
При больших перепадах давления удобнее записать зависимость H<br />
от отношения давлений P (а не от и), или от входного давления />,:<br />
-dpldz = ^ (2-6)<br />
Здесь -dp/dz - градиент давления (знак минус показывает падение<br />
давления от начала колонки к ее концу); ф - безразмерный<br />
структурный параметр, обычно близкий к 300 для наполненных<br />
колонок и к 16 - для капиллярных; Т| - вязкость газа; d p - размер<br />
частиц сорбента.<br />
Интегрирование в предположении идеального газа (рр; =<br />
p 0 v 0 = pv, откуда v = ррJp) дает:<br />
или<br />
PO<br />
J Pdp-<br />
2 2 _ !фЪРМЬ<br />
Pi Po - TI<br />
d p<br />
4 1 dz (2-7)<br />
При рр { = P 0 V 0 уравнение (2-8) можно перегруппировать<br />
и о=Ро (P2 -l)d 2 p<br />
4фх\Ь<br />
45<br />
(2-8)<br />
(2-9)
При р, > р 0<br />
и 0 =р 0<br />
г ji<br />
Pfd р ~; /,=9/8; у = 3/2 (2-10)<br />
4фцЬр 0<br />
P<br />
Параметры С и В содержат коэффициенты диффузии вещества<br />
в газе-носителе D 4 = D' g0 1 р. С учетом этого можно переписать<br />
уравнения (2-3) и (2-4) следующим образом:<br />
// = 9/8<br />
/'<br />
А + + С Xp 0 U 0<br />
Ро и о<br />
Н = 9/\ Z —<br />
+ 3/2^<br />
P 1<br />
(2-11)<br />
В'<br />
•+- + 3/2^- (2-12)<br />
/(Cp<br />
4 - 0 U 0 ) р 0 и 0 Pi<br />
I/A.+I/(C:<br />
Здесь С и В' - не зависят от давления и равны CHS при единичном<br />
давлении.<br />
Подставляя уравнение (2-10) для V 0 , получаем:<br />
Я = 9/!<br />
Я = 9/8 л<br />
Полагая b = 9 / 8 (40nLB'/^),<br />
| Афг\ЬВ' | CJ^C 0 Pf<br />
+ 3/8^^ (2-13)<br />
dip] 4 р 0 подстановка U 0 из уравнения (2-10) и у из его определения,<br />
дает<br />
H<br />
u = 3/ S EejL (2-19)<br />
<br />
Именно такое постоянство этой величины наблюдали Майерс<br />
и Гиддингс при давлениях на входе своих колонок, превышавших<br />
25-35 кг/см2.<br />
Таким образом, хотя в целом хроматографический процесс<br />
несомненно должен рассматриваться как высокоэффективный,<br />
его эффективность достигалась дорогой ценой за счет применения<br />
длинных колонок с большим сопротивлением газовому потоку.<br />
В целом, большие сложности в процессе приготовления колонок,<br />
вводе проб и обеспечении достаточной скорости течения<br />
47
газа-носителя не дали возможности для широкого распространения<br />
данной хроматографической техники.<br />
Тем не менее, ряд таких систем с адсорбентами типа оксида<br />
алюминия, мелкозернистого силикагеля и графитированной сажи<br />
были использованы для осуществления тонких разделений,<br />
требующих высокой общей эффективности хроматографической<br />
системы, в том числе для разделения изотопов. Примерами<br />
служат работы Моригучи и Такеи [29-31], в которых описано<br />
применение мелкозернистого оксида алюминия, модифицированного<br />
хлоридами, фторидами и фосфатами различных металлов,<br />
для разделения перманентных газов и легких углеводородов.<br />
Методом газо-адсорбционной хроматографии на колонках длиной<br />
3-10 м и более с мелкозернистым оксидом алюминия авторы<br />
работ [33, 34] разделяли изотопы и спиновые изомеры водорода.<br />
При этом разделение орто- и пара-изомеров водорода и дейтерия<br />
достигалось всего за 1-2 мин. В работе [34] спиновые изомеры<br />
водорода и дейтерия разделяли на колонке длиной 4 м и диаметром<br />
4 мм с оксидом алюминия, активированным прогревом<br />
при 475 0 C в токе азота в течение 48 ч. При температуре -196°С<br />
хорошее разделение орто- и пара-изомеров водорода осуществляли<br />
в потоке дейтерия, а разделение изомеров дейтерия проводили<br />
в токе водорода. Авторы этих работ отмечают, что стоимость<br />
чистого дейтерия, используемого в качестве газа-носителя,<br />
лишь ненамного превышает стоимость смеси гелия и неона, применявшейся<br />
ранее для разделения спиновых изомеров водорода<br />
[35-37].<br />
Состав смеси изотопов 3 He и 4 He определяли методом газовой<br />
хроматографии в работе [38].<br />
Предпринимались попытки достичь высокой эффективности<br />
хроматографического разделения путем применения колонок с<br />
мелкозернистым силикагелем с диаметром частиц около 10 мкм<br />
[39] или силикагеля с привитыми на его поверхности углеводородными<br />
радикалами C x H 17 или C 18 H 37 [40, 41]. Для этой цели<br />
применяли силикагель марки Сферосил ХОС005 (фирма Рон<br />
Пуленк, Франция) с величиной частиц 100-200 мкм и со средним<br />
диаметром пор 280 нм. Было показано, что эффективность колонок<br />
с таким адсорбентом оказывается в два-три раза выше, чем<br />
при использовании такого же силикагеля, дезактивированного<br />
триметил-(диметиламино)силаном.<br />
Высокой эффективности достигли авторы работ [42—47] при<br />
использовании колонок длиной 2 м и более, заполненных графитированной<br />
сажей с частицами (точнее, агрегатами частиц) размером<br />
60-80 меш (0,18-0,25 мм), модифицированной 5% полимера<br />
гексафторпропиленэпоксида. Разделение многокомпонент-<br />
48<br />
ных смесей фторсодержащих эфиров, иодфторалканов и многочисленных<br />
фреонов выполняли при температурах от -20 до<br />
+ 100 0 C. Были получены весьма точные данные по параметрам<br />
удерживания изученных фторсодержащих соединений.<br />
Колонки длиной до 12 м, заполненные абсорбентами с большим<br />
содержанием неподвижных жидких фаз, использовал Кастелло<br />
[48] для анализа продуктов, образующихся при радиолизе<br />
различных соединений у-лучами кобальта-60 или при воздействии<br />
радиочастотной плазмы. Объектами исследования служили<br />
предельные углеводороды C)-C 9 , этилен, пропилен, ацетилен и<br />
этиламин с добавками иода или диоксида серы. Благодаря достигавшейся<br />
в этих экспериментах высокой эффективности разделения<br />
оказалось возможным определять примеси образующихся<br />
продуктов реакции в концентрациях менее 3 х 10^-10- 9 мол. % .<br />
Помимо классических абсорбентов для газожидкостной хроматографии<br />
(полидиметилсилоксан SF-96, диметилсульфоксид, сквалан,<br />
трикрезилфосфат, полиэтиленгликоль Карбовакс 2OM,<br />
FFAP, нанесенные на хромосорб W или хромосорб P), в этой работе<br />
использовали адсорбционные колонки с оксидом алюминия<br />
и с пористыми полимерными сорбентами (порапаки разных марок,<br />
хромосорб 102 и хромосорб 105). Хорошие результаты при<br />
разделении низкомолекулярных продуктов были получены на<br />
комбинированной колонке, составленной из трех секций, заполненных<br />
порапаком R (1,5 м), порапаком S (3 м) и порапаком Q<br />
(2 м), так что общая длина колонки достигала 6,5 м.<br />
Довольно высокую эффективность при анализе смесей углеводородов<br />
до C 40 и ряда фреонов получили авторы работы [49],<br />
использовавшие колонки с высокофторированными полимерами<br />
вида -(0(CF 3 )CFCF 2 ) n -(OCF 2 ) m - в качестве неподвижных жидких<br />
фаз, нанесенными на Хромосорб P с величиной зерна<br />
100-120 меш при температурах от 45 до 255 0 C.<br />
Колонки достаточно большой длины были изучены в работах<br />
Крамерса, Рийкса и Бочека [50] и позже в работах Школиной<br />
и Березкина [51-53]. В этих работах были исследованы колонки<br />
диаметром 0,6-1,2 мм и длиной до 20 м и более, заполненные мелкозернистыми<br />
сорбентами хромосорб P, хромосорб W, хромосорб<br />
G, целит 545, хроматон N с нанесенными на них неполярными<br />
и полярными неподвижными фазами. Кроме того, колонки<br />
заполняли адсорбентами (силикагель, порапаки различных марок,<br />
полисорб-2 и др.). Эффективность таких колонок вблизи оптимальной<br />
скорости газа-носителя составляла 2500-3000 т.т. на<br />
1 м длины, а в отдельных случаях даже 4000 т.т./м.<br />
Хорошая воспроизводимость приготовления столь длинных<br />
колонок была достигнута благодаря применению ультразвука<br />
49
или специальных механических вибраторов [52]. Порошкообразные<br />
сорбенты подавали в колонку из сосуда, через который одновременно<br />
пропускали поток газа-носителя. Для улучшения качества<br />
заполнения и уменьшения продолжительности этого процесса<br />
периодически давление газа на входе в колонку резко увеличивали.<br />
Чтобы облегчить и ускорить процесс заполнения колонок<br />
легко электризующимися полимерными сорбентами, вспомогательный<br />
газ, подаваемый через сосуд с сорбентом, насыщали<br />
парами полярных жидкостей (этилового спирта и др.).<br />
Полная эффективность приготовленных таким образом колонок<br />
достигала 24-30 тыс. т.т. при длине 8,5 м (по н-гексану).<br />
Величина оптимальной линейной скорости газа-носителя в таких<br />
колонках составляла примерно 2-2,5 см/сек, что требовало избыточного<br />
давления на входе в колонку 4-7 кг/см 2 . Авторы приведенных<br />
работ не принимали каких-либо мер для уменьшения отношений<br />
входного и выходного давлений, так что на выходе колонок<br />
давление газа-носителя было близко к атмосферному.<br />
Практическая ценность колонок малого диаметра и относительно<br />
большой длины была продемонстрирована большим числом<br />
примеров разделения многокомпонентных смесей, в частности,<br />
фракций нефтяного топлива, продуктов пиролиза и гидроформинга<br />
углеводородов, а также определением малых примесей<br />
в различных продуктах, в том числе в широко используемом<br />
в хирургии анестезирующем препарате фторотане (1,1,1-трифтор-2-хлор-2-бромэтане).<br />
Большое количество данных, накопленных<br />
при изучении этих высокоэффективных колонок было<br />
обобщено в обстоятельных обзорах [55, 56].<br />
Успешным оказалось применение колонок большой длины и<br />
небольшого диаметра в препаративной газожидкостной хроматографии.<br />
Так, например, используя выполненные из стекла колонки<br />
диаметром 9 мм и длиной до 75 м, Верцеле [57-62] осуществил<br />
препаративное разделение ряда углеводородов, душистых веществ,<br />
галогеносодержащих соединений, кетонов, сложных эфиров<br />
и спиртов и показал, что при работе с колонками большой<br />
длины объем вводимой пробы может быть увеличен пропорционально<br />
длине колонки [57]. Так, если на колонке диаметром 9 мм<br />
и длиной 6 м можно разделить с приемлемой эффективностью<br />
пробы веществ объемом 0,1 мл, то при увеличении длины колонки<br />
до 60 м можно разделять с той же эффективностью пробы<br />
объемом до 1 мл. В экспериментах Верцеле для снижения пневматического<br />
сопротивления колонок и сокращения времени<br />
удерживания разделяемых веществ применяли сорбенты с большой<br />
величиной зерна (10-20 меш) при небольшом содержании<br />
неподвижной жидкой фазы (до 10%). Хотя при длине колонки<br />
50<br />
равной 3-5 м ее эффективность была относительно невелика,<br />
при увеличении ее длины до 60-80 м наблюдали пропорциональное<br />
повышение эффективности. Кроме того, колонки большой<br />
длины (более 10 м), заполненные крупнозернистыми сорбентами,<br />
обладали более приемлемыми нагрузочными характеристиками<br />
по сравнению с обычными колонками длиной 3-5 м. При<br />
увеличении вводимой пробы в 5-10 раз на колонках Верцеле наблюдалось<br />
всего лишь двух-трехкратное снижение эффективности,<br />
что и обеспечивало успех при осуществлении ряда тонких<br />
препаративных разделений очень близких по свойствам органических<br />
веществ [58-62].<br />
Эти результаты нашли свое подтверждение и дальнейшее развитие<br />
в работах автора настоящей книги (совместно с В.А. Кузовкиным)<br />
[63-66], в которых была показана возможность значительного<br />
увеличения эффективности препаративного газохроматографического<br />
разделения веществ при использовании колонок длиной<br />
10-50 м, заполненных крупнозернистыми сорбентами хромосорб<br />
P или приготовленным в лаборатории диатомитовым твердым<br />
носителем на основе огнеупорного кирпича с величиной зерна<br />
10-20 меш, содержащими 10% неподвижных жидких фаз различной<br />
полярности (полидиметил- и полиметилфенилсилоксаны,<br />
полиэтиленгликоли разной молекулярной массы, полинеопентилгликольсукцинат,<br />
полиэтиленгликольадипинат и др.).<br />
При этом оказалось возможным осуществить препаративное<br />
разделение весьма близких по свойствам цис- и транс-изомеров<br />
метилового эфира гераниевой кислоты и ее дейтерированных<br />
аналогов [66], изомерных фарнезиловых кислот, изомерных циси<br />
шранс-хроменов, весьма близких по свойствам 1-фенилноркарана,<br />
фенилметилциклогексана и фенилциклогексана, изомерных<br />
галогенофенилмасляных и галогенофенилвалериановых кислот<br />
и ряда других соединений с близкими свойствами. Величина<br />
вводимых проб в этих экспериментах составляла 0,3-1,5 мл.<br />
Интересным примером препаративного газохроматографического<br />
разделения продуктов биосинтеза может служить выделение<br />
дитерпена каурена из смеси продуктов, образующихся при<br />
ферментации питательных сред под действием грибка—продуцента<br />
гиббереллинов Fusarium moniliforme, Sheld.<br />
Даже при разделении проб с массой 2-3 г при использовании<br />
колонок диаметром 8-10 мм и длиной 20-50 м в этих экспериментах<br />
достигалась эффективность 2-3 тыс. т.т.<br />
Интересной особенностью этих работ является то, что для<br />
снижения потерь при выделении разделенных фракций были<br />
использованы легко конденсирующиеся газы (CO 2 , SO 2 , фреоны)<br />
и пары низкокипящих жидкостей, в том числе пары воды.<br />
51
1<br />
JuImL<br />
I I I Г<br />
Время, мин 45 30 15 0<br />
Рис. 6. Препаративное разделение смеси аминов на колонке диаметром<br />
10 мм и длиной 15 м с Хроматоном N (40-60 меш), содержащим 12% полисилоксана<br />
CKTB-I при 160°С в потоке водяного пара. Объем пробы<br />
0,4 мл<br />
/ - диизопропиламин; 2 - изопропил-н-пропиламин; 3 - анилин; 4 - а-толуидин;<br />
5 - диметиланилин; 6 - этиланилин; 7 - диэтиланилин<br />
Полная конденсация покидающей колонку подвижной фазы<br />
позволяла обеспечить количественное улавливание разделенных<br />
фракций, полностью исключить потери разделенных компонентов<br />
при конденсации и, кроме того, позволяла отказаться<br />
от использования сжатых газов в баллонах. Последнее обстоятельство<br />
имеет достаточно важное значение, так как расход<br />
газов в препаративной хроматографии весьма велик. Пример<br />
хроматограммы, полученной при препаративном разделении<br />
смеси аминов на колонке длиной 15 м и внутренним диаметром<br />
10 мм с использованием водяного пара в качестве подвижной<br />
фазы приведен на рис. 6.<br />
Резюмируя данные, рассмотренные в этой главе, можно заключить,<br />
что применение наполненных колонок большой длины<br />
(более 5-7 м) для обеспечения высокой эффективности газохроматографического<br />
разделения в целом не получило значительного<br />
развития. По-видимому, единственное направление, где можно<br />
считать оправданным применение такого варианта хроматографической<br />
техники - это препаративное разделение трудноразделяемых<br />
и высокоценных компонентов в лабораторном или полупромышленном<br />
масштабе, когда высокая стоимость выделенных<br />
продуктов оправдывает усилия, затраченные на их получение в<br />
чистом виде. Примерами могут служить некоторые фармацевтические<br />
препараты и продукты биотехнологических процессов.<br />
Для достижения высокой и сверхвысокой эффективности при<br />
52<br />
разделении близких по свойствам веществ в процессе развития<br />
хроматографического метода были найдены значительно более<br />
изящные и действенные решения. Одним из таких решений стал<br />
метод капиллярной хроматографии, рассмотренный в последующих<br />
главах.<br />
ЛИТЕРАТУРА<br />
[.James AJ., Martin A.J.P. II Biochem. J. 1952. Vol. 50, N 5. P. 679-<br />
690.<br />
2. James AT., Martin AJ. P., Smith GH. // Ibid. Vol. 52, № 2. P. 238-242.<br />
3. James A.T., Martin A.J.P., Smith G.H. // Analyst. 1952. Vol. 77, N 921.<br />
P. 915-932.<br />
3. Sullivan LJ., Lotz J.R., Willingham CB. Il Anal. Chem. 1956. Vol. 28, N 4.<br />
P. 495^98.<br />
4. Siemons M.C., Snyder L.R. Il Ibid. 1958. Vol. 30, N 1. P. 32-35.<br />
6. James A.T. // J. Chromatogr. 1959. Vol. 2, N 5. P. 552-561.<br />
7. Ciola R. //Anal. Assoc, brasil. quim. 1959. Vol. 18. P. 191-200.<br />
8. Ettre L.S. Il J. Chromatogr. 1960. Vol. 4, N 2. P. 166-169.<br />
9. Weis G. II Fette und Seifen. 1960. Bd. 62, N 11. P. 1004.<br />
10. Янотовский М.Ц., Руденко Б.А. // Журн. аналит. химии. 1965. T. 20,<br />
№ 5. С. 843-849.<br />
11. Myers M.N., Giddings JC. II Anal. Chem. 1966. Vol. 38, N 2. P. 294-<br />
297.<br />
12. Carter H.V. // Nature. 1963. Vol. 197. P. 684.<br />
13. Virus N. Il J. Chromatogr. 1963. Vol. 12. P. 406.<br />
14. Halasz 1., Gerlach H-O. II Anal. Chem. 1966. Vol. 38, N 2. P. 281-<br />
286.<br />
15. Desty DH., Haresnape J.N., Whyman BHF. // Ibid. 1960. Vol. 302, N 1.<br />
P. 302.<br />
16. Halasz L., Heine E. Il Ibid. 1965. Vol. 37, N 1. P. 495.<br />
17. Halasz L., Heine E. // Nature. 1962. Vol. 194. P. 971.<br />
18. SerpinetJ. // Chem. Anal. 1959. Vol. 41, N 4. P. 146-151.<br />
19. Lipsky S.R., Landowne R.A. // Ann. N.Y. Acad. Sci. 1959. Vol. 72, N 13.<br />
P. 66-67.<br />
20. Van der Wiel A. Il Nature. 1960. Vol. 187, N 4732. P. 142-143.<br />
21. Petrowitz HJ., Nerdel F., OhloffG. // J. Chromatogr. 1960. Vol. 3, N 4.<br />
P. 351-358.<br />
22. ScottR.P.W., Cheshire J.D. //Nature. 1957. Vol. 180. P. 702.<br />
23. Scott R.P.W. II Vapour phase chromatography / Ed. D.H. Desty. L.:<br />
Butterworths, 1957. P. 131.<br />
24. Scott R.P.W. II Gas chromatography / Ed. D.H. Desty. L.: Butterworths,<br />
1958. P. 171. Рус. пер.: Газовая хроматография. М.: Изд. иностр.<br />
литер., 1961. С. 178-187.<br />
25. Scott R.P.W. И Vapour phase chromatography / Ed. D.H. Desty. L.:<br />
Butterworths, 1957. P. 131-145. Рус. пер. в кн.: Успехи и достижения<br />
газовой хроматографии / Ред. Н.М. Туркельтауб и др. M.: Гостоптехиздат,<br />
1961. С. 149-159.<br />
53
26. LovellokJ.E. //Nature. 1958. Vol. 182, N 4650. P. 1663-1664.<br />
21. Myers M.N., Giddings J.C. Il Anal. Chem. 1965. Vol. 37, N 12.<br />
P. 1453-1457.<br />
28. Giddings.I.C. //Ibid. 1963. Vol. 35, N 7. P. 1338.<br />
29. Naito K., Takei S. II Chromatographia. 1973. Vol. 6. P. 339.<br />
30. Moriguchi S., Takei S. Il Ibid. 1974. Vol. 7. P. 49.<br />
31. Moriguchi S., Naito K.,Takei S. Il J. Chromatogr. 1977. Vol. 131, N 1.<br />
P. 19-29.<br />
32. Isomura S., Kaetsu H. // Rep. Inst. Phys. Chem. Res. 1981. Vol. 57, N 1.<br />
P. 1-6.<br />
33. Dericbourg J. // J. Chromatogr. 1976. Vol. 123, N 2. P. 405-410.<br />
34. Stevenson R., Stevenson D. // Ibid. 1982. Vol. 234. P. 231-233.<br />
35. Van Urk P., Under L. Il J. Appl. Radiat. Isotopes. 1972. Vol. 23.<br />
P. 239.<br />
36. Quicken KA., Le Roy DJ. // J. Chem. Phys. 1977. Vol. 67. P. 1042.<br />
37. Schultz W.R., Le Roy DJ. // Canad. J. Chem. 1964. Vol. 42. P. 2480.<br />
38. Марков AA., Медведев В.И., Соколов Г.А., Чернов H.H. Анализ состава<br />
смеси 3 He- 4 He методом газовой хроматографии. JI.: Ленингр.<br />
ин-т ядер, физики. 1979. 11 с.<br />
39. Dandeneau R., Hawkers S. // Chromatographia. 1980. Vol. 13, N 11.<br />
P. 686-692.<br />
40. Gaget C., Morel D., Serpinet J. // J. Chromatogr. 1982. Vol. 244, N 3.<br />
P. 209-216.<br />
41. Morel D., Serpinet J. // Ibid. 1980. Vol. 200. P. 95.<br />
42. Bruno TJ., Wertz K.H. //LC-GC. 1986. Vol. 4. P. 574-580.<br />
43 Bruno TJ., Caciari M. Il J. Chromatogr. A. 1994. Vol. 672. P. 149-<br />
158.<br />
44. Bruno TJ., Caciari M. // Ibid. Vol. 679. P. 123-132.<br />
45. Bruno TJ., Caciari M. I I Ibid. Vol. 686. P. 245-251.<br />
46. Bruno TJ., Caciari M. // Ibid. 1995. Vol. 708. P. 293-302.<br />
47. Bruno TJ., CaciariM. //Ibid. 1996. Vol. 723. P. 325-335.<br />
48. Castello G. Il J. Chromatogr. 1982. Vol. 244, N 2. P. 271-280.<br />
49. DhanesarS.C, Poole CF. //Ibid. 1983. Vol. 267. P. 388-394.<br />
50. Cramers CA., Rijks .1., Bocek P. // Ibid. 1972. Vol. 65. P. 29.<br />
51. Березкин В.Г., Школина JIA. // Журн. аналит. химии. 1973. T. 28,<br />
№9. С. 1838.<br />
52. Berezkin V.G., Shkolina LA. //J. Chromatogr. 1974. Vol. 99. P. 111.<br />
53. Березкин В.Г., Школина Л.А., Липавский В.H. и др. // Завод, лаб.<br />
1974. T. 40, № 6. С. 650.<br />
54. Березкин ВТ., Школина Л.А., Липавский BH., Сердан AA. // Успехи<br />
химии. 1974. T. 47, № 10. С. 1875-1903.<br />
55. Otvos I. Il Kern. kosl. 1976. Vol. 46, N 1/2. P. 135-162.<br />
56. Berezkin V.G., Shkolina LA., Lipavskii V.N. et al. Il J. Chromatogr.<br />
Chromatogr. Rev. 1977. Vol. 141, N 2. P. 197-240.<br />
57. Verzele M., Bouche J., De Bruyne A., Verstappe M. // J. Chromatogr. 1965.<br />
Vol. 18. P. 253.<br />
58. Verzele M., Verstappe M. //Ibid. Vol. 19. N 3. P. 504-511.<br />
59. Verzele M. //Ibid. 1964. Vol. 15. P. 482.<br />
60 Verzele M. // Ibid. 1962. Vol. 9, N 1. P. 116-117.<br />
61. Verzele M. // Ibid. 1965. N 6. P. 186-188.<br />
62. Verzele M. /I Ibid. 1964. Vol. 13, N 2. P. 377-381.<br />
63. Руденко Б.А., Кузовкин BA., Пауков В.Н., Кучеров В.Ф. // Изв.<br />
АН СССР. Сер. хим. 1971. № 7. С. 1384.<br />
64. Кузовкин BA., Руденко Б.А., Кучеров В.Ф. // Там же. 1973. № 8.<br />
С. 1910.<br />
65. Кузовкин BA., Руденко Б А., Кучеров В.Ф. //Там же. № 10. С. 2354.<br />
66. Мустафаева М.Т., Смит В.А., Семеновский А.В. и др. //Там же. № 2.<br />
С. 334.<br />
54
Глава 3<br />
КАПИЛЛЯРНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ<br />
Рис. 7. Одна из первых капиллярных<br />
хроматограмм, полученная на<br />
колонке дл. 1 м с Апиезоном M,<br />
при температуре 20 °С<br />
/ - ацетон; 2 - циклогексан; 3 -<br />
толуол<br />
Рис. 8. Хроматограмма смеси углеводородов<br />
C 5 -C 6 , полученная на капиллярной<br />
колонке с малым значением<br />
отношения распределения к<br />
3 Время, мин<br />
3.1. ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ<br />
КАПИЛЛЯРНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ<br />
Наиболее действенным и универсальным способом достижения<br />
высокой эффективности хроматографического разделения<br />
оказался метод капиллярной хроматографии. В этом варианте<br />
хроматографической техники используются колонки, представляющие<br />
собой полые трубки длиной от 5 м до 500 м и более с диаметром<br />
от 0,05 до 1,5 мм, стенки которых покрыты тонкой пленкой<br />
неподвижной жидкой фазы либо тонким слоем мелкозернистого<br />
адсорбента или твердого носителя, содержащего до 20%<br />
неподвижной жидкой фазы.<br />
Вывод о том, что с помощью капиллярных колонок можно<br />
получить эффективность порядка 10 4 — 10 6 т.т. следовал из теоретического<br />
анализа процессов в обычных наполненных колонках,<br />
проведенного Голеем в 1955-1956 гг. [1, 2]. По аналогии движения<br />
хроматографической полосы в колонке и распространения<br />
электрического сигнала вдоль линии с распределенными параметрами<br />
индуктивности, емкости и активного сопротивления Голей<br />
описал процесс хроматографии с помощью дифференциального<br />
уравнения, известного в электротехнике под названием "телеграфного"<br />
[1]. Позже Голей [2] провел детальный анализ взаимосвязи<br />
достигаемой в хроматографической колонке эффективности<br />
с такими характеристиками процесса, как перепад давлений<br />
на ее входе и выходе и время разделения. В результате Голей<br />
обосновал введение обобщенного показателя эффективности<br />
хроматографического процесса (вывод выражения для показателя<br />
эффективности рассмотрен ниже). Этот показатель, имеющий<br />
размерность вязкости, теоретически может достигать наименьшего<br />
значения 0,1 пуаз, что характеризует наибольшую возможную<br />
эффективность хроматографической колонки. При ис-<br />
56<br />
О<br />
О,<br />
к<br />
Ct<br />
о<br />
я<br />
«<br />
10 15 20 25 30 35 Время, мин<br />
пользовании наполненных колонок обычного типа предельно достижимое<br />
значение показателя эффективности было не менее<br />
1-10 пуаз, т.е. превышало теоретический предел в 10-100 раз и<br />
более. Предполагая, что такое расхождение связано с тем, что<br />
реальные колонки представляют собой сложную систему беспорядочно<br />
расположенных извилистых капиллярных ходов, тогда<br />
как теоретической моделью служил пучок прямых капилляров с<br />
гладкими стенками, Голей пришел к выводу, что реализовать потенциальную<br />
высокую эффективность газохроматографического<br />
процесса возможно только при использовании колонки в форме<br />
гладкой трубки с достаточно большим отношением длины к<br />
диаметру.<br />
Это заключение было впервые сформулировано в отчете Голея<br />
фирме Перкин-Эльмер (США), датированном 15 ноября<br />
1956 г. Тогда же были проведены и первые эксперименты с капиллярными<br />
колонками. Используя пластмассовые колонки длиной<br />
91,5 м и внутренним диаметром 0,25 мм со стенками, смоченными<br />
полиэтиленгликолем, Голей получил эффективность около<br />
12 тыс. т.т. Вот как сам автор рассказывает об этом:<br />
"...Из любопытства я установил ее (пластмассовую трубку,<br />
прим. авт.) вместо колонки с целитом, просто для того, чтобы посмотреть,<br />
какими будут пики воздуха. Я был приятно удивлен,<br />
обнаружив, что эти воздушные пики имели ширину, правильно<br />
57
предсказанную той же приближенной теорией. Тогда возникла<br />
идея о том, что если пики воздуха имеют правильные значения<br />
ширины, когда колонка представляет собой простой отрезок ничем<br />
не заполненной трубки, то почему бы не покрыть внутренние<br />
стенки трубки каким-либо удерживающим веществом и не<br />
использовать ее в качестве распределительной колонки" [3].<br />
Первое сообщение о достигнутых результатах Голей сделал<br />
на I симпозиуме американского приборостроительного общества<br />
по газовой хроматографии в Ист-Лансинге (США) в июне<br />
1957 г. [4], а в 1958 г. на II Международном симпозиуме по газовой<br />
хроматографии в Амстердаме были опубликованы его теоретические<br />
исследования, включающие математическое описание<br />
процесса разделения в капиллярной колонке с гладкими стенками,<br />
покрытыми пленкой жидкой фазы [5]. Одновременно первые<br />
экспериментальные результаты опубликовали Дийкстра и<br />
де-Гоэй [6]. Однако эффективность разделения в работе этих авторов<br />
была относительно невелика, что объяснялось значительной<br />
величиной пробы, обусловленной низкой чувствительностью<br />
применявшегося детектора.<br />
Этот факт подтверждает важную особенность капилярных<br />
колонок: увеличение пробы резко снижает эффективность разделения.<br />
Связано это с тем, что гладкие стенки узкой капиллярной<br />
трубки способны удержать лишь крайне незначительное количество<br />
жидкой фазы. Поэтому успеху капиллярной хроматографии<br />
способствовало появление пламенно-ионизационного детектора,<br />
разработанного Мак-Вильямом и Дьюаром в 1957 г. [7].<br />
Этот тип детектирующего устройства, ставший ныне одним из<br />
наиболее распространенных, обладал очень высокой чувствительностью<br />
[8] и, кроме того, имел крайне малый собственный<br />
объем, чем выгодно отличался от уже известных в то время высокочувствительных<br />
детектирующих систем - аргонового ионизационного<br />
детектора Лавлока [9] и вакуумного ионизационного<br />
детектора Раиса и Брайса [10]. Начиная с 1958 г., развитие капиллярной<br />
хроматографии теснейшим образом связано с возможностями<br />
пламенно-ионизационного детектора.<br />
Предсказываемая теорией высокая эффективность капиллярных<br />
колонок, выраженная числом теоретических тарелок по<br />
предложенной Глюкауфом [11] формуле, была полностью подтверждена<br />
Дести с сотр. [12, 13] на примере металлических колонок<br />
и Скоттом [14], применявшим пластмассовые трубки. В этих<br />
и других работах довольно скоро были достигнуты значения кажущейся<br />
эффективности капиллярных колонок, превышавшие<br />
1 млн т. т. [15], и явно не соответствующие наблюдавшемуся разделению<br />
изучаемых компонентов.<br />
58<br />
Это явление подробно рассматривалось в работах Пёрнелла<br />
[16], впервые указавшего на важное различие между наполненными<br />
и капиллярными колонками. Различие связано с тем,<br />
что вследствие малого количества жидкой фазы на стенках<br />
трубки соотношение долей сечения, занятых жидкой фазой и<br />
газом-носителем, в капиллярных колонках оказывается на<br />
два-три порядка меньше, чем в наполненных колонках. Это<br />
приводит к тому, что отношение распределения к в капиллярных<br />
колонках не превышает трех-пяти даже при величине коэффициента<br />
распределения, равной нескольким сотням или<br />
тысячам. На практике это означает, что, в отличие от наполненных<br />
колонок, в капиллярных колонках "мертвый" объем<br />
оказывается соизмеримым с чистыми объемами удерживания<br />
разделяемых веществ, а часто и превышает их по своей величине.<br />
Пример такой хроматограммы приведен на рис. 8. Вследствие<br />
большой величины собственного газового объема колонки<br />
для многих пиков достигается лишь частичное разделение.<br />
Вещество, не сорбирующееся жидкой фазой, проходит через<br />
колонку со скоростью газа-носителя. Понятно, что при наличии<br />
смеси нескольких таких веществ их разделение не будет<br />
происходить из-за полного отсутствия взаимодействия с жидкой<br />
фазой. Тем не менее пик такого вещества может быть измерен<br />
и его ширина может быть подставлена в формулу для<br />
подсчета числа теоретических тарелок [H]:<br />
где о - второй момент пика. При этом формально будет получено<br />
некоторое число теоретических тарелок, которое, конечно,<br />
ни в коей мере не является характеристикой разделяющей способности<br />
системы в данном случае.<br />
Учитывая, что в формуле (3-1) полный объем удерживания<br />
включает "мертвый" объем системы и чистый объем удерживания,<br />
получим:<br />
п = \ — + —<br />
\о а<br />
(3-2)<br />
Разделение, реально достигаемое в результате взаимодействия<br />
исследуемых веществ и жидкой фазы в колонке, характеризует<br />
главным образом второй член в скобках. Эта величина,<br />
квадрат которой назван Пёрнелом [16] фактором разделения п',<br />
связана с первоначально определенным числом теоретических<br />
59
тарелок п простым соотношением. Из уравнения (3-2) получим<br />
откуда<br />
n = l'n a .r, + £W, + I) a<br />
(1 + *Г<br />
(з-з)<br />
(3-4)<br />
Теперь видно, что величина п' оказывается тем меньше и,<br />
чем меньше коэффициент к по сравнению с единицей. Если величина<br />
к стремится к нулю, то Hm п' = 0, так что для несорбирующихся<br />
компонентов никакого разделения ожидать нельзя, что соответствует<br />
действительности. Поэтому фактор разделения п'<br />
часто называют числом чистых теоретических тарелок, имея в<br />
виду то обстоятельство, что это число в большинстве случаев хорошо<br />
соответствует реально достигаемому разделению близких<br />
по свойствам компонентов. В обычных наполненных колонках<br />
для газожидкостной хроматографии обычно к > 1 и, следовательно<br />
и'«л. (3-5)<br />
Когда в упомянутых выше случаях разделений с числом теоретических<br />
тарелок, превышающим 10 5 — 10 6 т. т., было рассчитано<br />
число чистых теоретических тарелок, то вследствие малых величин<br />
к в этих работах фактор п' оказался много меньшим: он не<br />
превышал 5 х 10 3 -10 4 , что соответствовало наблюдаемому в этих<br />
опытах качеству разделения.<br />
Тем не менее, было установлено, что число чистых теоретических<br />
тарелок, получаемое с помощью капиллярных колонок,<br />
намного превышает величины, достижимые с помощью наполненных<br />
колонок. Это обеспечило быстрый рост числа работ в<br />
этой области и значительное расширение областей применения<br />
капиллярной хроматографии.<br />
Важным этапом развития этого метода явилась разработка к<br />
1960 г. техники изготовления капиллярных колонок из стекла<br />
[17, 18], незаменимых при проведении медико-биологических исследований.<br />
Было показано, что с капиллярными колонками могут<br />
быть получены количественные результаты, не менее точные,<br />
чем при использовании обычных колонок [19]. Нашли свое<br />
применение в капиллярной хроматографии также и такие методические<br />
приемы, как программирование температуры [20] и<br />
скорости потока газа-носителя [21]. Стремление несколько снизить<br />
требования к чувствительности детектирующих систем обусловило<br />
развитие техники капиллярной хроматографии на ко-<br />
60<br />
лонках большого диаметра [22, 23]. По той же причине, а также<br />
в связи с необходимостью расширить круг применяемых в капиллярных<br />
колонках жидких фаз и ликвидировать трудности их нанесения<br />
в форме тонкой равномерной пленки были разработаны<br />
капиллярные колонки с покрытыми пористым твердым носителем<br />
стенками [24-27]. Идея создания таких колонок была сформулирована<br />
еще в самых первых публикациях Голея [28].<br />
В 1959-1961 гг. была подробно изучена зависимость результатов,<br />
достигаемых с помощью капиллярной хроматографии, от тех<br />
или иных экспериментальных факторов [29, 30]. Это позволило<br />
оценить оптимальные условия газохроматографического анализа<br />
в капиллярных колонках. Была показана возможность их применения<br />
для экспресс-анализа и разработана соответствующая<br />
аппаратура [31-33].<br />
Исключительно важное значение имели первые попытки сочетания<br />
капиллярных колонок с масс-спектрометрами, применявшимися<br />
в качестве высокочувствительных детектирующих<br />
устройств и для идентификации разделяемых компонентов<br />
[34-37]. Эти исследования позже позволили полностью расшифровать<br />
состав сложнейших, состоящих из сотен компонентов<br />
смесей нефтехимических продуктов, метаболитов живых организмов,<br />
запахов и т.п. [38—41]. В настоящее время это направление<br />
является частью метода хромато-масс-спектрометрии, успешно<br />
используемого для решения важнейших аналитических<br />
проблем, например для анализа загрязнений окружающей среды<br />
[42-45]. При этом большую помощь оказывает разработанная в<br />
1966 г. Парселом и Эттре [46] техника предварительного улавливания<br />
и концентрирования анализируемых веществ в начальном<br />
сильно охлажденном участке колонки.<br />
Развитие капиллярной хроматографии не ограничилось только<br />
техникой газ о-жидкостной хроматографии, но затронуло и газоадсорбционные<br />
методы. Из числа наиболее ранних работ в<br />
этой области следует упомянуть исследования Монке и Сафферта<br />
по разделению изотопов и спиновых изомеров водорода [47,<br />
48], работы Птижана и Лефто [49], Шварца, Брассо и Шумейка<br />
[50, 51], Халаша с сотр. [24, 25, 52], Либерти с сотр. [53, 54] и др.<br />
В 1960-1961 гг. были опубликованы результаты работ Витта,<br />
Бондарева и Полинина, осуществивших разделение ряда сложных<br />
углеводородных смесей [55]. Большой вклад в развитие газожидкостной<br />
и особенно газоадсорбционной хроматографии на капиллярных<br />
колонках внесли Калмановский, Киселев и др. [56-59].<br />
В 1964 г. было опубликовано описание одного из первых в мировой<br />
практике специального капиллярного хроматографа ХГ-1301<br />
с микроионизационным детектором на прометии-147 [60].<br />
61
Обширный цикл исследований, касающихся методов приготовления<br />
высокоэффективных капиллярных колонок, техники работы<br />
с ними и интерпретации полученных результатов, выполнен<br />
Штруппе [61-65] и Шомбургом [66-72]. Ряд интересных медикобиологических<br />
проблем был решен с помощью стеклянных капиллярных<br />
колонок Хорнингом и Ван-ден-Ойвелом с сотр.<br />
[73-76]. Существенный прогресс в технике выполнения наиболее<br />
важной операции - нанесения на стенки капилляра жидкой фазы<br />
достигнут в работах Гроба [26, 77-81], Кайзера [82, 83] и Мистрюкова<br />
[84-86]. Опубликованы работы, касающиеся применения в<br />
капиллярной хроматографии парообразных подвижных фаз<br />
[88-92]. Все более интенсивно проводятся исследования загрязнений<br />
окружающей среды с помощью капиллярной хроматографии<br />
в сочетании с масс-спектрометрической техникой и с электронновычислительными<br />
машинами [93-98]. Техника, теория и области<br />
применения капиллярной хроматографии подробно освещены в<br />
ряде обзоров и монографий [99-106]. Интенсивное развитие техники<br />
и методики капиллярной хроматографии привело к тому,<br />
что этот метод занял ведущее место в аналитической практике.<br />
Поэтому тщательная оценка возможностей капиллярной хроматографии<br />
и выявление тенденций ее развития уже в настоящее<br />
время приобретают исключительно важное значение.<br />
3.2. ТЕЧЕНИЕ ГАЗОВ В ТОНКИХ ТРУБКАХ<br />
Характер течения вязкой среды в канале определяется значением<br />
критерия Рейнольдса:<br />
Re = dvp/ц, (3-6)<br />
где d - характеристический размер канала; v - скорость течения;<br />
р - плотность среды; Г) - ее вязкость. Многочисленными экспериментами<br />
установлено, что характер течения любой среды резко<br />
изменяется от ламинарного к турбулентному, когда критерий<br />
Рейнольдса достигает так называемого "критического значения",<br />
равного приблизительно 2300 [104].<br />
Типичная капиллярная колонка имеет диаметр 0,25-0,50 мм и<br />
длину 25-50 м. Перепад давлений, обеспечивающий значения<br />
времени удерживания разделяемых компонентов, не превышающие<br />
1-2 часов, составляет 1-2 атм. При этих условиях количество<br />
газа, протекающего через капилляр в единицу времени, составляет<br />
1-5 мл/мин, а его линейная скорость близка к величине<br />
0,5-1,0 м/сек.<br />
62<br />
Значения критерия Рейнольдса, соответствующие указанным<br />
условиям, составляют 3-50 и, следовательно, на два-три порядка<br />
меньше его критического значения. Это означает, что поток газа<br />
в капиллярных колонках является строго ламинарным, подчиняющимся<br />
законам вязкого течения.<br />
С учетом эффекта расширения газа при движении в капилляре<br />
большой длины закон вязкого течения Пуазейля выражается<br />
следующей формулой:<br />
F 0 =(Kr*/l6l\Ly(p-pl)/p 0 , (3.7)<br />
где F - объемная скорость газа-носителя на выходе из колонки;<br />
/• - радиус капилляра; L - его длина; л - вязкость применяемого<br />
газа; р, и р (1 - давление на входе и выходе колонки, соответственно<br />
[105].<br />
Уравнение (3-7) по своей форме аналогично решению дифференциального<br />
уравнения течения газов через пористую среду,<br />
выражающего закон Дарси [106]:<br />
/r = _£t.* = Sw=F 0^. (3-8)<br />
Л dz<br />
Pi<br />
Согласно этому уравнению, объемная скорость потока при постоянном<br />
сечении колонки S пропорциональна градиенту давления<br />
по оси потока dP/dZ и проницаемости среды К р и обратно<br />
пропорциональна вязкости газаг). Решение этого уравнения приводит<br />
к выражению<br />
Д..Ь.{£Ы]. (3.9,<br />
T]L 2р 0<br />
Сопоставление выражений (3-7) и (3-9) показывает, что<br />
для капиллярных колонок круглого сечения проницаемость<br />
равна<br />
К' р =кг 4 /8. (3-10)<br />
Если измерять расход газа F 0 в мл/мин, длину L в м, радиус капилляра<br />
г в мм, давление р в кг/см 2 , а вязкость газа "п в мкпуаз, то<br />
формула (3-7) приобретает удобный для расчетов вид:<br />
2 _ 2<br />
F 0 = I 1,04-10 6 -^—^-V. (3-11)<br />
i\Lp 0<br />
Время протекания газа-носителя по капиллярной колонке, рав-<br />
63
ное времени удерживания несорбирующегося компонента, можно<br />
определить следующим образом:<br />
dZ _(• nr 2 pdZ<br />
\ Л -7-\<br />
О " О<br />
АЛ<br />
Выражая dZ из уравнения (3-8) с учетом (3-10),<br />
dZ =<br />
^P-dp<br />
ЩРо'П<br />
(3-12)<br />
(3-13)<br />
Подставляя (3-13) в (3-12) и изменяя пределы интегрирования,<br />
получим<br />
или после интегрирования<br />
" nr 2 p 2 dP<br />
Х ° L ЩРоЪ<br />
кг пг V-Po)<br />
8л-3P 0 2 F 0<br />
2<br />
Учитывая (3-7), можно выразить -C 0 следующим образом:<br />
^o ='<br />
16Л^2<br />
2(pf-pl)<br />
1(р-р 2 о)<br />
(3-14)<br />
(3-15)<br />
(3-16)<br />
Соотношение (3-16) показывает, что время элюирования первого<br />
компонента разделяемой смеси весьма резко зависит от длины<br />
и диаметра применяемого капилляра, изменяясь пропорционально<br />
квадрату отношения этих величин.<br />
Объем удерживания несорбирующегося компонента равен<br />
усредненному по величине давления объему газа-носителя, содержащегося<br />
в капиллярной колонке, или произведению объемной<br />
скорости газа-носителя на время удерживания несорбирующегося<br />
компонента, т.е.<br />
V n<br />
: х ом> ~<br />
TZd 2 L<br />
4<br />
2<br />
Pi<br />
yPoJ<br />
(РГ)<br />
3<br />
^Po)<br />
64<br />
3<br />
2<br />
-1<br />
-<br />
TZd 2 L 2(P 3 -1)<br />
4 3(P 2 -1)<br />
(3-17)<br />
Рис. 9. Зависимость вязкости газов<br />
от температуры<br />
1 - водород; 2 - диоксид углерода;<br />
3 - азот; 4 - гелий; 5 - кислород;<br />
6 - аргон<br />
Здесь первый множитель<br />
правой части представляет собой<br />
геометрический объем колонки,<br />
а второй множитель -<br />
обычная поправка на перепад<br />
давления [107].<br />
На практике выведенные<br />
соотношения (3-11) и (3-16) позволяют<br />
предсказать величину "мертвого" времени и избавляют<br />
экспериментатора от целого ряда неудобств, связанных с длительным<br />
ожиданием первых пиков хроматограммы, появляющихся<br />
во многих случаях через несколько десятков минут после<br />
ввода пробы.<br />
3.3. ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ<br />
ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА<br />
ОТ ВЯЗКОСТИ ПОДВИЖНОЙ ФАЗЫ<br />
Важным параметром, определяющим скорость течения газа в<br />
капилляре, а следовательно, и длительность хроматографического<br />
процесса разделения является вязкость газа-носителя, зависящая<br />
от природы газа и температуры колонки. Применяемые в газовой<br />
хроматографии газы-носители имеют вязкости, различающиеся<br />
довольно значительно.<br />
Наименьшей вязкостью обладает водород; ббльшие значения<br />
вязкости свойственны аргону. Такие газы, как гелий, азот и углекислый<br />
газ, занимают промежуточное положение [106-109]. Вязкость<br />
всех газов увеличивается при повышении температуры.<br />
При этом наименьшие изменения вязкости с температурой характерны<br />
для водорода (рис. 9). Эти данные показывают, что с точки<br />
зрения быстроты хроматографического процесса водород изза<br />
своей малой вязкости имеет определенные преимущества перед<br />
другими газами. Изменение вязкости газов с температурой<br />
хорошо соответствует степенной зависимости вида:<br />
3. Руденко Б.А. Т. 1 65<br />
Вязкость, пуаз х 10 4<br />
Ol 1 1 1 1<br />
0 200 400 „<br />
Температура, С<br />
Ц = АТ В , (3-18)
где А и В - константы для данного газа, T - абсолютная температура.<br />
Значение показателя степени В несколько уменьшается с<br />
ростом температуры и, по данным [106], при высоких температурах<br />
для одно- и двухатомных газов приближается к 0,63. Для многоатомных<br />
газов и паров, имеющих более высокую критическую<br />
температуру, показатель В в интервале 0-400 0 C изменяется<br />
сильнее. Однако в большинстве случаев можно полагать, что<br />
вязкость обычных газов-носителей изменяется пропорционально<br />
абсолютной температуре в степени 0,7 [106]. Такой характер изменения<br />
вязкости газов приводит к заметному падению скорости<br />
течения газа через капиллярную колонку при увеличении температуры,<br />
если перепад давлений на входе и выходе поддерживают<br />
постоянным.<br />
Вязкость газов практически не зависит от изменений давления:<br />
при повышении давления от 1 до 20 кг/см 2 вязкость водорода<br />
и диоксида углерода изменяется не более чем на<br />
0,5-2,0%. Тепловое расширение материала колонки весьма незначительно<br />
влияет на ее диаметр. При изменении температуры<br />
на 200 0 C величина г 4 меняется не более чем на 1,5%. Поэтому,<br />
пренебрегая этим эффектом, связь между давлением,<br />
температурой и объемной скоростью газа можно выразить соотношением:<br />
v /г, /, v /г, (319)<br />
'1 _<br />
KL - UJ (Р-PlI<br />
Если скорость газа измеряется, как обычно бывает, при<br />
постоянной температуре, чаще всего комнатной (20 0 C), то<br />
следует учесть эффект расширения газа, пропорциональный<br />
первой степени абсолютной температуры. При постоянном давлении<br />
на выходе из колонки, равном 1 кг/см 2 , это дает следующее<br />
соотношение:<br />
(% ^ V' ° 2<br />
'I _ h -4^ (3-20)<br />
(F 0 )T 2 U P - ]<br />
i J г i<br />
«т 2 )<br />
Это выражение позволяет оценить те изменения скорости<br />
газа-носителя в капиллярной колонке, которые связаны<br />
только с изменениями входного давления или температуры<br />
колонки.<br />
3.4. ДВИЖЕНИЕ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЙ ЗОНЫ<br />
В ТРУБКАХ С ПОКРЫТЫМИ ЖИДКОСТЬЮ СТЕНКАМИ.<br />
УРАВНЕНИЕ ГОЛЕЯ<br />
Математическое описание процесса миграции конечной по<br />
протяженности зоны вещества в бесконечно длинной трубке<br />
круглого или прямоугольного сечения, проведенное Голеем в<br />
1956-1958 гг. [ПО, 111], базируется на следующих основных положениях.<br />
Распределение скоростей в потоке вязкой среды, текущей<br />
в трубке круглого сечения, имеет параболический характер.<br />
У оси потока скорость максимальна, а непосредственно вблизи<br />
стенок скорость перемещения среды равна нулю.<br />
Поступательное перемещение потока и беспорядочное тепловое<br />
движение приводят к тому, что каждая молекула газа или<br />
жидкости проводит примерно равное время в каждом элементе<br />
площади сечения трубки, передвигаясь вдоль нее со средней скоростью<br />
потока. При наличии на стенках трубки неподвижного<br />
слоя, например, жидкой фазы, избирательно сорбирующей молекулы<br />
данного типа, все такие молекулы будут проводить примерно<br />
одинаковую долю времени в неподвижном слое. Если начальный<br />
участок трубки, заполненный сорбирующимся газом,<br />
имеет небольшую длину, т.е. сорбирующийся газ вводится в поток<br />
в виде "газового поршня", то средняя скорость его перемещения<br />
будет меньшей, чем скорость газа-носителя. В то же время<br />
отдельные молекулы движущегося газа могут колебаться около<br />
центра распределения, перемещающегося со средней скоростью<br />
потока. Вследствие того, что отдельные молекулы могут проводить<br />
разное время в участках потока, имеющих различные скорости,<br />
т. е. опережать или отставать от основной массы сорбирующегося<br />
газа, первоначальная ширина введенной зоны будет<br />
увеличиваться. Такой процесс называется динамической диффузией.<br />
Помимо этого происходит увеличение ширины зоны под<br />
действием процесса статической диффузии, протекающего независимо<br />
от того, находится ли зона в движении или нет. Дополнительное<br />
увеличение ширины зоны связано с тем, что для установления<br />
равновесия между газом-носителем и сорбционным слоем<br />
необходимо некоторое время, т.е. с наличием определенного сопротивления<br />
массообмену.<br />
Общее уравнение диффузии газа, записанное в векторной<br />
форме<br />
DV 2 f = 4L = ¥- + Vgradf, (3-21)<br />
66<br />
з* 67
где D - коэффициент диффузии, а/- функция концентрации, для<br />
случая одномерного диффузионного потока неподвижного газа в<br />
прямом канале упрощается:<br />
D- дХ<br />
2<br />
dt<br />
(3-22)<br />
Распределение концентраций в зоне является функцией пространственной<br />
координаты и времени<br />
f = f(X,t)<br />
Нормируя ее к единице, получим<br />
(3-23)<br />
(3-24)<br />
Это выражение означает, что все количество вещества, составляющее<br />
рассматриваемую хроматографическую зону, находится в<br />
пределах конечного участка колонки.<br />
Так как в пределах этого участка / > 0, то из (3-24) следует,<br />
что при X -» ± °°,/-> 0,JX -> 0<br />
дх XL -»0 (3-25)<br />
Ширину зоны в данный момент времени можно охарактеризовать<br />
вторым моментом распределения концентраций в хроматографической<br />
зоне:<br />
U="\ JX 2 dX (3-26)<br />
Дифференцируя это выражение с учетом (3-26), получим изменение<br />
второго момента за бесконечно малый отрезок времени:<br />
dU = d \ fX 2 dX I = dt] %X 2 dX = Ddt\ -^1 X 2 dX (3-27)<br />
dt дХ 1<br />
Проводя интегрирование по частям и учитывая (3-24) и (3-25),<br />
можно прийти к соотношению<br />
dU = Ddt\ 2 J fdX - 2[JX]IZ + Э/ у2<br />
IdX<br />
= 2Ddt (3-28)<br />
Этот результат означает, что скорость расширения хроматографической<br />
зоны конечной длины в трубке, заполненной непод-<br />
68<br />
вижным газом другого состава, в два раза превышает скорость<br />
диффузии.<br />
Если такая же зона находится в потоке инертного газа-носителя,<br />
движущегося в круглой трубке радиуса г 0 с покрытыми неподвижной<br />
фазой стенками в условиях вязкого течения со средней<br />
скоростью в данном сечении V 0 , то скорость увеличения ее<br />
ширины будет иной. То есть отношение масс мигрирующего по<br />
колонке вещества в неподвижной и подвижной (газовой) фазах<br />
будет равно к. Тогда в условиях равновесия между фазами уравнение<br />
(3-21) можно записать в цилиндрических координатах:<br />
Dl<br />
I Э Э 2<br />
dr 2 + rdr + dX 2 f- df + 9 2--<br />
'о J ЭХ' (3-29)<br />
где г - расстояние от оси трубки. При г = г 0 соблюдается соотношение<br />
2°(* = -к<br />
Wr=,,<br />
dt<br />
г=г а<br />
(3-30)<br />
Скорость движения зоны в (1 + к) раз меньше скорости движения<br />
газа-носителя. Вводя систему координат, передвигающуюся<br />
со средней скоростью зоны, т.е. со скоростью ее центра масс,<br />
получим<br />
X x =X-v 0 t(\ + k) (3-31)<br />
При подстановке этой величины в уравнения (3-29) и (3-30) последние<br />
приобретают вид:<br />
D<br />
д 2 1 Э Э 2 '<br />
дг 2 г дг dX 2 f э7 +и °<br />
2_огэ/'<br />
dt<br />
1 + 2£ „г П<br />
\ + к<br />
2<br />
'о J<br />
(<br />
+ - 1 + к<br />
ж.<br />
и 0<br />
V дХ | Л<br />
^- (3-32)<br />
ЭХ,<br />
(3-33)<br />
Средняя концентрация вещества в подвижной фазе в данном<br />
сечении колонки может быть определена следующим образом:<br />
2*<br />
J = - \ Jrdr<br />
(3-34)<br />
г о о<br />
Отклонение концентрации от средней для данного сечения величины<br />
может быть обозначено как А/', так что<br />
/ = / + А/ (3-35)<br />
69
причем,<br />
j Afrdr = 0 (3-36)<br />
В условиях, когда в трубке уже установилось равновесие,<br />
можно считать, что изменение концентрации Д/весьма невелико<br />
по сравнению с/, т.е.<br />
А/«/ (3-37)<br />
Усредняя все члены уравнений (3-29) и (З-ЗЗ 4 ) по всему сече-<br />
2 }<br />
нию колонки, т.е. применяя к ним оператор -fj $>(r)dr, где<br />
о<br />
Ф = Ф(г) (3-38)<br />
есть усредняемая функция от радиуса, получим с учетом (3-<br />
34)-(3-36):<br />
2D (д Af ^<br />
_Э/ + 1 Э/<br />
эУ ' Т+1с и °Щ +<br />
= -Z- + -—- v«<br />
= -А:<br />
V<br />
Э(/ + А/)<br />
dt<br />
э 2 /_<br />
+ D-<br />
г 0 . У дг ) Г=П) эх,<br />
2<br />
1 'О<br />
V °<br />
~1 J<br />
Z 1<br />
2Р(дАГ<br />
r 0 V Эг у г=Го<br />
+ - 1<br />
A=<br />
1 + А:<br />
г 0<br />
r " M + 2A: г 2 }ЭД/ j<br />
- 2 — I -— гаг<br />
1 + £ ЭХ,<br />
•ц<br />
V<br />
Э(/ + Д/)<br />
ЭХ,<br />
' Л=<br />
(3-39)<br />
(3-40)<br />
Почленное вычитание этих двух уравнений приводит к выражению<br />
}2;<br />
D Э7 Э/ , ,/ЭА/<br />
= (l + fc)^- + A:<br />
ЭХ, 2 v " ' "' Эг \ Э +<br />
П)<br />
г о о V<br />
1±2*_ 2 "<br />
2<br />
о У<br />
2Ьл^ ЭД/ j к<br />
». ^л^л эд/<br />
—— rdr Vr<br />
(3-41)<br />
ЭХ, \ + к с V 9X 'A=r 0<br />
Член k(dAf/dt) r=r по условию (3-37) весьма мал по сравнению<br />
с Э//Э и им можно пренебречь. Необходимо выразить Д/<br />
через / или производные этой функции. Для этой цели можно<br />
70<br />
подставить в уравнение (3-32) выражение (3-35) и опустить те<br />
члены с Af которым соответствуют аналогичные члены с/. Тогда<br />
получим<br />
nil IA il^<br />
Э(/ + Д/)<br />
dt<br />
Эг 2+ гЭг г or<br />
+ ЭХ 2<br />
Ч J<br />
(/ + А/) =<br />
1 + 2к г<br />
2Л Э(/ + Д/)<br />
+ V 1<br />
1 + fc -2<br />
'
которое может быть решено относительно А/с учетом того, что<br />
при г = 0 величина А/должна иметь конечное значение:<br />
Д/ = Д/ +-L<br />
J J0<br />
AD<br />
-* — г + v c<br />
dt<br />
1 + 2к 2 г<br />
г<br />
1 + *<br />
4 Л<br />
Э/<br />
'о ; дх,<br />
(3-46)<br />
Теперь можно подставить найденное выражение для А/ в<br />
уравнение (3-41), которое после интегрирования и некоторых<br />
преобразований примет вид:<br />
l + 6k + Uk2 V 2 X<br />
D +<br />
48(1 + *) 2 D<br />
э 2 /<br />
дХ<br />
dt 24(1 + *) D эх,э<br />
(3-47)<br />
Сопоставляя полученный результат с уравнением (3-22),<br />
легко видеть, что влияние динамической, диффузии при движении<br />
хроматографической зоны в колонке со скоростью<br />
и ( /(1 + к) приводит к увеличению коэффициента диффузии в<br />
левой части уравнения и к добавлению в его правой части члена,<br />
зависящего от положения зоны и от времени. Может быть<br />
строго доказано, что при значительной длине колонки, когда<br />
движение зоны можно считать установившимся, а произведение<br />
U 0 Z-(J и коэффициент диффузии D близкими по порядку величинами,<br />
этот член становится исчезающе малым и не влияет<br />
на скорость увеличения второго момента распределения<br />
концентраций в зоне при ее движении по колонке. Эта скорость<br />
может быть выражена следующим образом. В соответствии<br />
с изложенным выше уравнение (3-47) можно переписать<br />
следующим образом:<br />
dt<br />
1<br />
1 + * D + 1+6*+ 11*2 vlrо'о<br />
c '<br />
48(1 + к) 1 D<br />
э 2 /<br />
ЭХ, 2 (3-48)<br />
Это уравнение полностью аналогично выражению (3-22) и отличается<br />
от него лишь величиной коэффициента при второй производной.<br />
Преобразуя (3-48) по типу преобразования (3-22) -> (3-28),<br />
получим<br />
1 + 6* + 11Г<br />
dU-- D + \+к 48(1 + *) 2 D<br />
72<br />
dt (3-49)<br />
В ыражая dt через скорость движения зоны и дифференциал длины<br />
колонки, получим<br />
dt = (\+k)dX/v 0 (3-50)<br />
dU-<br />
2D 1+6* + 11* 2<br />
• + -<br />
24(1 + *) 2 D<br />
dX (3-51)<br />
Интеграл этой величины по длине колонки (X = L) дает второй<br />
момент распределения концентраций в зоне, покидающей колонку.<br />
Поэтому член в квадратных скобках, имеющий размерность<br />
длины, есть не что иное, как высота, эквивалентная теоретической<br />
тарелке. Эта величина будет соответствовать действительно<br />
наблюдаемой только в случае колонок, работающих с малым<br />
перепадом давления и не обладающих заметным сопротивлением<br />
массопередаче.<br />
Учесть наличие конечной скорости массообмена в реальной<br />
колонке можно, исходя из следующих соображений.<br />
Диффузия внутри слоя с коэффициентом диффузии D 1 может<br />
быть описана уравнением<br />
3V _Э/<br />
' дх 2<br />
( }<br />
dt<br />
Для элемента слоя неподвижной фазы, имеющего коэффициент<br />
распределения К, может быть записано уравнение материального<br />
баланса диффундирующего вещества:<br />
d^/dX = -Kdf/dt (3-53)<br />
где ^ - скорость массопередачи на единицу поверхности слоя. Интегрируя<br />
уравнение (3-52) и исключая df/dt, можно найти %<br />
^-KD 1 Qf 1 ZdX 1 (3-54)<br />
Для малых значений/удобно выразить изменение концентрации<br />
компонента в зоне в экспоненциальной форме:<br />
/ = /ехр[фГ + Х(ф/Д) 1/2 ] + / 2 ехр[фГ-Х(ф/0 / )' /2 ] (3-55)<br />
Простой подстановкой можно показать, что это выражение удовлетворяет<br />
уравнению (3-52). Поэтому из уравнения (3-54) легко<br />
найти £,:<br />
^ = -^К(Щ) и2 схр[ц>1 + Х(у/ D 1 )" 2 ] +<br />
+/ 2 К(ф£>,) 1/2 хехр[фГ - Х(ф/ D 1 ) 1 ' 2 ] (3-56)<br />
73
Пусть толщина слоя неподвижной фазы равна d f . Тогда X изменяется<br />
от X = 0 на границе между слоем и газом в колонке до X<br />
= d f y стенки колонки. В последнем случае скорость переноса массы<br />
диффундирующего компонента должна быть равна нулю, откуда,<br />
используя уравнение (3-56), получим<br />
/ 2 =/ 1е хр[2^( Ф /А) 1/2 ] (3-57)<br />
Подставляя (3-57) в (3-55) и (3-56), можно получить отношение<br />
(¾/) на границе между неподвижной и подвижной фазами:<br />
G = {^l f) x=Q = K{^l D t ) U2 th[d f^l D 1 )' 12 (3-58)<br />
При малых концентрациях а^ф//),)'/ 2 < 1, поэтому можно считать,<br />
что гиперболический тангенс равен своему аргументу, и тогда<br />
G = = d}l3K 1 D l (3-62)<br />
74<br />
Для круглой колонки отношение распределения - отношение<br />
количеств вещества в неподвижной и подвижной фазах - выражается<br />
следующим образом:<br />
отсюда<br />
к = 2nr 0 d f K/nr 2 = 2Kd f I r 0 ,<br />
f<br />
K 2<br />
Подставляя (3-64) в (3-62), получим<br />
г, 2 „2<br />
Т к = к 2 г 2 /12K 2 D 1 .<br />
(3-63)<br />
(3-64)<br />
(3-65)<br />
Граничные условия, ранее выраженные уравнением (3-30), теперь<br />
могут быть записаны следующим образом:<br />
шт .^_ (/ ._ д) * (3-бб,<br />
г о \дг) г=Г{1 dt \ ">Т к<br />
где / и , - функция концентрации вещества у стенки трубки.<br />
Производя замену переменных, соответствующую уравнениям<br />
(3-31) и (3-36), с подстановкой f w вместо/и Д/„, вместо А/, распространяя<br />
на Д/ и , условие (3-38), можно прийти к аналогичному<br />
(3-41) выражению для граничного условия:<br />
В то же время<br />
2D(SAf) /., ч*<br />
'о V or у г=Г(| i k<br />
(3-67)<br />
2РГЭА/ Л Э(/ + А/ № ) , к __ Э(/ + Д/„)<br />
Jr-- dt - + 1 + к ЭХ,<br />
(3-68)<br />
по аналогии с (3-66).<br />
Производя, как и ранее, почленное вычитание уравнения<br />
(3-68) из уравнения (3-67), придем к уравнению, аналогичному<br />
(3-41):<br />
г о<br />
о<br />
D - т = ( 1 + ^ +<br />
dt<br />
\ + 2к<br />
1 + к<br />
•2<br />
ЭА/<br />
ЭХ, rdr-<br />
к „ ЭД/„<br />
1 + &" и ЭХ,<br />
(3-69)<br />
Появляющийся при этом член к ЭД/ И , /dt опущен в силу условия<br />
(3-37) с учетом замены А/на Д/ и ,. При вычитании из уравнения (3-43)<br />
75
выражений (3-41) или (3-69) и опускании членов с Д/или Д/„„ соответствующих<br />
по форме членам с/, можно выразить А/ из уравнения,<br />
аналогичного (3-45). Решение дается формулой (3-46),<br />
подставляя которую с соответствующими поправками в уравнение<br />
(3-68), можно найти значение А/ и ,:<br />
А/.<br />
2DT/ ЭА/ ЭЛ T k v 0 Э/<br />
кг п V or ) r<br />
ЭХ, + А/о<br />
+- 4D Э/ ° 2 v 1+*;эх,<br />
(3-70)<br />
Теперь можно подставить в уравнение (3-42) выражения (3-70)<br />
для А/ и „ (3-46) для А/и (3-65), для Т к . После выполнения интегрирования<br />
в правой части и простых преобразований получим<br />
А<br />
р | 1 + 6£ + Ш 2 2<br />
2 2 Л<br />
U 0 V 0 Э 2 /<br />
v 48(1-H^) 2 D \2(\ + ку K 1 D 1 дх<br />
)k(1+ 4Jk)<br />
+ •<br />
24(1+ /)D 12(1 +к) К'D у о г о<br />
1<br />
dXfit<br />
(3-71)<br />
Как и при выводе выражения (3-47), здесь также можно показать,<br />
что при установившемся движении зоны второй член правой<br />
части становится исчезающе малым. Это приводит к уравнению,<br />
сходному с (3-22), которое далее может быть преобразовано<br />
аналогично преобразованию (3-22) —»(3-28) в выражение для<br />
дифференциала второго момента распределения концентраций в<br />
зоне при ее движении по колонке:<br />
dU •<br />
2D \ + 6k + llk 2 V 0 K 0 2 2<br />
24(1 + ку D 3 (\ + кУ<br />
2 Л<br />
V Q d f<br />
D 1<br />
dX (3-72)<br />
Величина в скобках здесь, как и в случае (3-51) дает значение<br />
ВЭТТ.<br />
„ 2D \ + Ьк + \\к 2 г 2 2 к<br />
V<br />
u 0 24(1 + *) 2 D ° 3(1 + A:) 2 D 1 °<br />
(3-73)<br />
Это выражение известно под названием уравнения Голея.<br />
Выражения такого же типа получены позже и другими авторами<br />
[112].<br />
76<br />
3.5. СОПРОТИВЛЕНИЕ МАССОПЕРЕДАЧЕ<br />
НА МЕЖФАЗНЫХ ГРАНИЦАХ<br />
При выводе уравнения Голея постулируется наличие в колонке<br />
равновесия между газовой и жидкой фазами в любой момент<br />
времени. Это равносильно утверждению о том, что равновесие в<br />
колонке устанавливается мгновенно.<br />
Случай, когда это условие не соблюдается, был рассмотрен<br />
Каном [113, 114]. Строгое математическое решение уравнений<br />
диффузии и материального баланса в элементе зоны dX с помощью<br />
преобразования Лапласа привело к уравнению:<br />
H=2D S ^ + 6k + \\k 2 v 0 r 2 |<br />
u 0 24(1 + Jt) 2 D g<br />
+ 2_^4^ + ^ _ (3. 74)<br />
Ъ(\ + к) 2 D 1 (\ + k) 2 k d<br />
где D - коэффициент молекулярной диффузии в газе; k d - константа<br />
скорости десорбции вещества с поверхности. Эта константа<br />
может быть оценена с помощью молекулярно-кинетической<br />
теории газов, однако достаточное количество экспериментальных<br />
данных оказалось возможным собрать только для смеси одной<br />
пары веществ - ацетона и хлороформа. Кан провел необходимые<br />
расчеты, считая, что один из компонентов этой смеси нанесен<br />
на стенки капиллярной колонки диаметром 0,2 мм в виде<br />
пленки толщиной 0,2 мкм и является сорбентом, а другой является<br />
сорбатом. При этом константа k d оказалась равной<br />
2,04 • 10~ 3 см/сек, откуда было вычислено, что размывание зоны,<br />
связанное с сопротивлением массопередаче на границе жидкой и<br />
газообразной фаз, соответствует около 52% общей высоты, эквивалентной<br />
теоретической тарелке.<br />
Экспериментальные данные о работе капиллярных колонок<br />
со скваланом в качестве неподвижной жидкой фазы, полученные<br />
Дести и Голдапом [115], не соответствовали теоретическим предсказаниям,<br />
базирующимся на уравнении Голея (3-73) [116]. Это<br />
дает основание считать, что добавочное сопротивление массообмену<br />
на межфазной границе, эквивалентное наличию постулируемого<br />
Голеем некоторого отклонения от равновесия, действительно<br />
имеет место в реальной хроматографической колонке.<br />
Шай [117] отмечает, что в хроматографической колонке имеются<br />
два концентрационных пика, движущихся одновременно, - один в<br />
подвижной фазе и другой - в неподвижной. При этом пик в не-<br />
77
подвижной фазе должен отставать от пика в подвижной фазе,<br />
т.к. в противном случае не возникнет движущей силы для массообмена<br />
между двумя этими фазами. К аналогичным выводам<br />
пришли и авторы работ [118-120].<br />
Таким образом, имеются физические предпосылки для существования<br />
в колонке сопротивления массообмену на границе подвижной<br />
и неподвижной фаз.<br />
3.6. ПЕРЕПАД ДАВЛЕНИЯ В КОЛОНКЕ.<br />
ПОКАЗАТЕЛЬ ЭФФЕКТИВНОСТИ<br />
Голей [ПО] при объяснении теории работы капиллярной колонки<br />
учитывал увеличение сопротивления массообмену с повышением<br />
скорости движения среды следующим образом. В реальной<br />
колонке, вдоль которой существует определенный перепад<br />
давлений, и следовательно, градиент скорости, ширину зоны необходимо<br />
выражать с помощью второго момента распределения<br />
массы (UO, а не концентраций, в зависимости от положения зоны<br />
в колонке:<br />
dW = p 2 du, (3-75)<br />
где р - давление в данном сечении колонки.<br />
На основании уравнений (3-7) и (3-8) падение давления вдоль<br />
колонки равно<br />
pdp = qv 0 p 0 dX, (3-76)<br />
где и () - линейная скорость газа-носителя на выходе колонки, a q -<br />
параметр проницаемости. Для круглых трубок<br />
Выражая радиус колонки через ВЭТТ и используя соотношение<br />
(3-77), получим<br />
1 + 6£ + 11Г<br />
0+Ic) 2 ц = С к Г] = Н 2 д. (3-86)<br />
Подставляя (3-82) и (3-84) в (3-83), получим<br />
„,. ..9{pt-Po) u _ Ax 2<br />
8(In 2) Т -Н TT H^qV 0 P 0 = —г<br />
4 (Р -Pl)<br />
(3-87)<br />
Возводя обе части этого равенства в квадрат и умножая на X 0 из<br />
выражения (3-85), получим<br />
\2<br />
64(In 2) • — А— ^5- Я о<br />
2<br />
р(^0Р 0 = —^ X 0 .<br />
16 (Р-Р1Г<br />
(3-88)<br />
Заменяя далее # opt в соответствии с (3-86) и перегруппировывая<br />
члены, получим<br />
64(1п2) 2 гр<br />
Ax<br />
х *<br />
где к, по определению,<br />
2 Ч(Р1-РО)<br />
9(/> 4 -/> 0 4 ) -[(1+6^ + 1^)/(1 + *) 2 ]'<br />
* = (т,-т 0 )/т 0 .<br />
(3-89)<br />
(3-90)<br />
Так как при выводе соотношения (3-89) предполагалось наличие<br />
полного равновесия в колонке, которое не достигается в действительности,<br />
правая часть уравнения (3-89) всегда будет превышать<br />
его левую часть, пропорциональную вязкости подвижной<br />
фазы. Поэтому отношение правой части к левой, всегда превышающее<br />
единицу, показывает, в какой мере работа данной колонки<br />
приближается к работе идеальной колонки, обладающей<br />
строго равномерным слоем неподвижной фазы, диффузия в котором<br />
протекает мгновенно. Кроме того, предполагается, что<br />
скорость подвижной фазы в этой идеальной колонке является<br />
оптимальной для данного компонента. Эти соображения дают основания<br />
назвать упомянутое выше отношение удельным показателем<br />
эффективности:<br />
SPI =<br />
1<br />
64(In 2) 2 г,<br />
Ax,<br />
Зт 0 (1+^) 2 16 (Pf-Plf<br />
8(1 + 6* + Uk 2 ) 27 [ p f- p *f<br />
80<br />
.(3-91)<br />
Это довольно громоздкое выражение можно упростить путем<br />
введения двух следующих допущений. Последний множитель<br />
правой части может быть заменен на величину AP = P, - P 0 . Это<br />
вносит ошибку около 40% при очень большой величине отношения<br />
Р ( /P 0 При P 1 -> P 0 эта ошибка быстро уменьшается и исчезает<br />
при AP = 0. При P 1 /P 0 = 2 ошибка составляет 9,7%. Второе упрощение<br />
заключается в том, что коэффициент при Г) в формуле<br />
(3-86) можно заменить более простым приближенным выражением<br />
С к = -{ 1 + 15—\ (3-92)<br />
* 3V \+к)<br />
В этом случае ошибки не превосходят 30% при значениях<br />
к < 10, что обычно имеет место в случае капиллярных колонок.<br />
Подставляя в формулу (3-91) соответствующие выражения, заменяя<br />
к его значением (3-90), получим выражение для показателя<br />
эффективности:<br />
Р/ = Ах 2 х 0 ДР/х^х,-||х 0 ). (3-93)<br />
С учетом уже сделанных допущений можно полагать, что<br />
Это приводит к более простой формуле:<br />
х,- -^o = V (3-94)<br />
PI = А
ления Пёрнелла, характеризующего разделяющую способность<br />
колонки. Третий член - произведение времени удерживания на<br />
перепад давлений - является мерой затрат на достигаемое разделение.<br />
Средний член является безразмерной величиной, мало изменяющейся<br />
при изменении отношения X x /X 0 и имеющей максимум<br />
при X x /х 0 = 4,1.<br />
Аналогично можно записать уравнение (3-95):<br />
PI =<br />
Лх<br />
V Т *<br />
-^-X x AP. (3-98)<br />
х,<br />
Первый множитель в (3-98) представляет собой четвертую степень<br />
относительной ширины полосы или величину, обратную<br />
квадрату числа теоретических тарелок данной колонки. Понятно,<br />
что вследствие малых значений к эта величина не характеризует<br />
должным образом разделяющую способность колонки.<br />
Средний член в равенстве (3-98) равен степени замедления движения<br />
зоны по сравнению с движением газа-носителя, т.е. величине<br />
1/(A: + 1), а третий член, как и в (3-97), представляет собой<br />
меру затрат на выполнение данного разделения.<br />
3.7. ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОЛОНОК<br />
НЕКРУГЛОГО СЕЧЕНИЯ<br />
Приведенные выше рассуждения повторяют основные идеи<br />
проведенного Голеем анализа работы капиллярных колонок<br />
круглого сечения. Аналогичным путем Голеем были рассмотрены<br />
процессы расширения зоны в колонках прямоугольного<br />
(щелевидного) сечения и получена формула для В ЭТТ такой<br />
колонки:<br />
U 0 105 (l+k) 2 D. 3(1+A:) 2 D/<br />
где h - ширина щели. Формулы для показателей эффективности<br />
таких колонок сохраняют свой вид, однако входящий в выражение<br />
для удельного показателя эффективности коэффициент Q<br />
[см. ф-лу (3-86)] приобретает следующий вид:<br />
С -32 1+9/: + 25,5/: 2 (3. 100)<br />
* 35 (1 + А:) 2<br />
82<br />
j2_<br />
Как видно из (3-100) и (3-86) величина С к для колонок прямоугольного<br />
сечения меньше, чем для круглых колонок [118]. Хотя<br />
это позволяет предполагать, что колонки прямоугольного сечения<br />
(при h = г 0 ) имели бы более высокую эффективность, до настоящего<br />
времени такие колонки не получили широкого распространения.<br />
Однако было показано, что щелевидную колонку с<br />
h = 0,2 мм можно легко приготовить равномерным сплющиванием<br />
медного капилляра с внутренним диаметром 1 мм [119]. При<br />
этом полная эффективность колонки возрастала в 5-7 раз. В то<br />
же время имеются данные о том, что колонки некруглого сечения<br />
по своей эффективности несущественно отличаются от<br />
обычных круглых колонок. С другой стороны, описаны способы<br />
изготовления капиллярных колонок некруглого сечения, включая<br />
процессы нанесения неподвижной фазы.<br />
3.8. ЭФФЕКТИВНОСТЬ КАПИЛЛЯРНЫХ КОЛОНОК<br />
В ТУРБУЛЕНТНОМ РЕЖИМЕ<br />
ТЕЧЕНИЯ ПОДВИЖНОЙ ФАЗЫ<br />
Основным фактором, вызывающим увеличение ширины хроматографической<br />
зоны в незаполненной капиллярной колонке и<br />
положенным в основу изложенного выше теоретического анализа,<br />
является динамическая диффузия, обусловленная наличием<br />
параболического профиля скорости при ламинарном течении газа<br />
в трубке. Известно [104], что увеличение скорости потока до<br />
такого уровня, когда значение критерия Рейнольдса (3-6) превышает<br />
2300, приводит к резкому изменению характера течения,<br />
связанному с переходом к турбулентному режиму. Такой режим<br />
характеризуется значительно более равномерным распределением<br />
локальных скоростей по сечению канала. При этом лишь у самой<br />
стенки в узкой зоне толщиной 5 = 0,1 •*• 0,0Ir 0 имеет место<br />
быстрое падение скорости до нулевого значения (при г = г 0 ), остальная<br />
же часть потока, находящаяся в средней части канала (от<br />
0,1 до 0,9г 0 ), - турбулентное ядро - движется с очень близкими<br />
значениями скоростей.<br />
Наличие такого равномерного распределения скоростей, возникающего<br />
вследствие интенсивного образования и разрушения<br />
локальных вихревых потоков и мощного конвективного массообмена<br />
между центральными и периферийными участками<br />
струи, могло бы весьма существенно снизить динамическое расширение<br />
хроматографической зоны, описываемое третьим сла-<br />
83
гаемым в уравнении Голея [см. (3-73)]. Обобщенное выражение<br />
для В ЭТТ колонки при любом режиме течения подвижной фазы<br />
было выведено Преториусом и Сматсом [122, 123]:<br />
H--<br />
2D, 2/, Цо г 2><br />
•+- D Sm +<br />
; J<br />
C s"oS = H m {X) f m + C x UJ x , (3-101)<br />
где скорость и зависит от текущей координаты вдоль оси колонки;<br />
W 0 - скорость газа у стенки; С, - константа, а /, - интеграл<br />
функции<br />
о 2п|/(г) Ф*(г)- 1 С \<br />
\ + к \ г / _ (/,,-/.2 + ^) + 2(/,1 -I n )Ic + 1 и к 2<br />
' а+к) 2<br />
-J<br />
J<br />
0<br />
В этих выражениях<br />
rfy<br />
2(g-y)4>(y)<br />
2[l-(y/g)3Q(y)rfy<br />
/ = f H-(y/g)]rfy f 2[1 - (у /g)
На основе введенного Прандлем представления о том, что<br />
движение макроскопических элементов в турбулентном потоке<br />
сходно с движением молекул в газе, Сматс, де-Клерк и Преториус<br />
[123] пришли к выражениям:<br />
4 , (y) = l + e(y)/D m ; (3-118)<br />
10 s -<br />
Наиболее важные результаты были получены в опытах с капиллярной<br />
колонкой длиной около 150 м и внутренним диаметром<br />
1,4 мм, стенки которой покрывали скваланом (рис. 3-5). Давление<br />
на входе в колонку изменяли от 3,64 до 60,31 кг/см 2 , а на выходе<br />
- от 1,14 до 58,31 кг/см 2 . При этих условиях эксперимента<br />
критерий Рейнольдса принимал значения от 484 до 10 485. На<br />
рис. 11 кривая 1 представляет собой результат линейной экстраполяции<br />
данных, рассчитанных по уравнению Голея при низких<br />
скоростях газа (Re < 100), в область значений критерия Рейнольдса,<br />
близких к 1000, когда, несмотря на высокие скорости потока<br />
в колонке, характер течения все еще остается ламинарным.<br />
Кривая 2 получена также расчетом по уравнению Голея при<br />
C x = O и Sc - 1, что соответствует действительным значениям при<br />
хроматографии ацетилена в токе азота (Sc = 1,17). На рисунке<br />
видно, что экспериментально найденные величины ВЭТТ (5) в<br />
области значений 500 < Re < 2000 лежат значительно ниже обеих<br />
экстраполированных кривых, примерно на продолжении плавной<br />
кривой 4, характерной для турбулентной области Re > 3000.<br />
В этой области имеет место плавное снижение ВЭТТ с ростом<br />
критерия Рейнольдса, качественно соответствующее предсказаниям<br />
теории при Sc = 1 (кривая 5).<br />
Вследствие резкой интенсификации массообмена в этих<br />
опытах ВЭТТ уменьшается в 5-7 раз, однако наблюдаемые изменения<br />
ВЭТТ выражены достаточно резко только для веществ<br />
с малыми значениями к (рис. 12) [125]. Так, для н-бутана (к ~ 0,1)<br />
при увеличении Re от 645 до 6550 ВЭТТ возрастает от 20 до<br />
38 диаметров колонки. Дальнейшее возрастание Re до 10 485<br />
приводит к скачкообразному падению ВЭТТ приблизительно<br />
до 5 диаметров колонки, что соответствует полной эффективности<br />
колонки 22 500 теоретических колонок. В то же время<br />
для н-гексана (к ~ 1,0) такое изменение соответствовало переходу<br />
от 329 до 148 диаметров колонки, т.е. ВЭТТ уменьшалась<br />
всего в два раза.<br />
Таким образом, экспериментально доказано, что в области<br />
турбулентного течения действительно имеет место значительное<br />
снижение ВЭТТ, связанное с резкой интенсификацией радиального<br />
массообмена и выравниванием профиля скоростей<br />
в капиллярной колонке. Так как эти изменения в наибольшей<br />
степени затрагивают объекты с малыми значениями к, хроматографическое<br />
разделение в турбулентном потоке может оказаться<br />
весьма полезным для экспресс-анализа сложных смесей<br />
органических соединений. Следует однако, иметь в виду, что<br />
при увеличении скорости газа в колонке до значения, близко-<br />
88<br />
го к критической области Re = 2300, ВЭТТ возрастает весьма<br />
значительно (см. рис. 7), так что повышение эффективности<br />
колонки при дальнейшем увеличении скорости подвижной фазы<br />
может оказаться недостаточным для того, чтобы скомпенсировать<br />
эту уже возникшую потерю ее разделяющей способности.<br />
В заключение этого раздела интересно отметить, что развитая<br />
Сматсом, де-Клерком и Преториусом теория хроматографии в<br />
турбулентном потоке предсказывает для жидкостей (Sc = 1000)<br />
значительно более резкое снижение A n , в турбулентной области,<br />
чем для газов. В этом случае при малых к ВЭТТ может уменьшаться<br />
на пять порядков и достигать значений, оптимальных в ламинарной<br />
области. Эта возможность резкого ускорения хроматографического<br />
процесса при сохранении его высокой эффективности<br />
может быть весьма важной для современных модификаций высокоскоростной<br />
жидкостной и сверхкритической хроматографии.<br />
3.9. СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ<br />
КАПИЛЛЯРНЫХ КОЛОНОК<br />
Степень разделения, характеризующая реально достигнутый<br />
результат хроматографического процесса, описывается следующим<br />
отношением:<br />
R 5 = (V2 ~^ , (3-124)<br />
а 1/2(1)<br />
+а 1/2(2)<br />
где V 2 и V x - объемы удерживания, соответствующие двум пикам,<br />
или пропорциональные им величины, а а ]/2(1) и а т(2) - значения<br />
ширины этих пиков на середине высоты, выраженные в тех же<br />
единицах измерения, что и объемы удерживания.<br />
Для двух близко расположенных пиков, характерных для капиллярной<br />
хроматографии,<br />
R 5 = AV/2a il2 , (3-125)<br />
где а и2 - среднее значение ширины пиков, a AV- расстояние между<br />
ними. Когда величина R 5 достигает 1, то расстояние между<br />
пиками как раз равно их средней ширине, так что разделяющая<br />
их впадина почти достигает нулевой линии. В случае двух пиков,<br />
близких по площади, это соответствует доле примеси одного<br />
компонента в другом, не превышающей 2%. Согласно теории тарелок<br />
[126], ширина пика, соответствующего объему удержива-<br />
89
ния V, равна а 0 = AVI л[п, где п - число теоретических тарелок<br />
колонки. Тогда (3-125) можно записать так:<br />
2(V 2 -V 0 Jl (3-126)<br />
V 2 + V 1 4<br />
Первый сомножитель в правой части, являющийся отношением<br />
расстояния между максимумами пиков к их среднему объему<br />
удерживания, - степень внутреннего разделения R 1n - не зависит<br />
от эффективности колонки, а определяется только природой<br />
жидкой фазы и свойствами разделяемой пары соединений, т.е.<br />
эта величина определяет селективность колонки при разделении<br />
данных веществ:<br />
= 2(V 2 -V 1 )<br />
" V 1 + v 2 •<br />
Второй член определяется только эффективностью колонки,<br />
выражаемой числом теоретических тарелок.<br />
Если необходимое для разделения число теоретических тарелок<br />
достичь невозможно или затруднительно, стремятся повысить<br />
/,„, подбирая более селективную неподвижную фазу. Если<br />
же число теоретических тарелок достаточно велико, то желаемое<br />
разделение будет обеспечено и на колонке с малоселективной<br />
неподвижной фазой. Требуемое значение п можно оценить<br />
следующим образом. Преобразуем формулу (3-126), учитывая,<br />
что, во-первых,<br />
V 2 -V 1 = V 2 '-V 1 '= (V 2 -V 0 )-(V 1 -V 0 ), (3-128)<br />
во-вторых, для близко расположенных пиков можно считать<br />
поэтому<br />
V 1 = V 2 = V, (3-129)<br />
* - ^ 4 - (3-130)<br />
V 4<br />
Заменяя в (3-130) V 2 и V 1 в соответствии с (3-128), умножая и деля<br />
на (V 2 -V 0 ) и вынося за скобку (V 1 -V 0 ), получим<br />
R _[(V 2 -У„)/(У,-У 0 )Ы V 2 -V 0 V^ (3131)<br />
' (V 2 -V 0 MV 1 -V 0 ) V 4'<br />
90<br />
Ввиду того, что отношение чистых объемов удерживания двух<br />
пиков равно их коэффициенту разделения a, a<br />
получим<br />
V 2 ~ VQ _ _J_ (3-132)<br />
V 1 + jfc'<br />
Vf = V 0 (I+*,-), (3.133)<br />
Я = 2L±.JL..^. (3-134)<br />
а 1+* 4 '<br />
откуда число теоретических тарелок п, необходимое для разделения<br />
двух близких пиков с коэффициентом разделения а и отношением<br />
распределения к, равно<br />
n = 16/2f_«_.*±iY (3-135)<br />
Ча-1 к J<br />
Эта формула, выведенная впервые Пёрнеллом [127], показывает,<br />
что требуемое число теоретических тарелок быстро возрастает<br />
не только при а —> 1, т.е. при сближении свойств разделяемых<br />
компонентов, но и при снижении к, т.е. при возрастании доли<br />
газового объема колонки в объеме удерживания. Этим формула<br />
(3-135) существенно отличается от выведенного ранее Глюкауфом<br />
[125] выражения<br />
~ * &<br />
(3 ' 13б)<br />
которое совершенно не учитывает каких-либо технических характеристик<br />
применяемой колонки. При этом результаты вычисления<br />
по формуле (3-135) оказываются всегда выше, чем данные,<br />
даваемые выражением (3-136), хотя эта разница быстро уменьшается<br />
при увеличении к, становясь весьма незначительной уже<br />
при к = 2.<br />
Как видно из рис. 13, при заданных значениях й,иа требуемое<br />
число теоретических тарелок быстро растет при уменьшении<br />
отношения распределения. Так как для капиллярных колонок<br />
характерны малые значения к, выражение их эффективности<br />
числом теоретических тарелок оказывается значительно менее<br />
удобным, чем в случае наполненных колонок, для которых к<br />
обычно не бывает меньше 5-10. При этом величина {к + 1)/к в<br />
уравнении (3-135) оказывается близкой к единице.<br />
91
В меньшей степени зависит от эксплуатационных характеристик<br />
колонки фактор разделения Пёрнелла или число чистых<br />
теоретических тарелок п' [см. уравнение (3-4)]. Для того чтобы<br />
оценить эту величину на практике, необходимо знать время удерживания<br />
несорбирующегося компонента для данной колонки,<br />
что может представлять известные трудности. Поэтому были<br />
предложены характеристики разделяющей способности колонок,<br />
расчет которых не требует знания точных значений объемов<br />
удерживания или параметров элюирования несорбирующихся<br />
компонентов. Как указано в гл. 1, таким характеристическим<br />
параметром Харрелл и Перри [128] предложили считать эффективное<br />
число пиков, равное уменьшенной на единицу степени<br />
разделения двух последовательных членов какого-либо гомологического<br />
ряда (/,( Л) )<br />
ЭЧП = / 5(Л) -1. (3-137)<br />
В зависимости от конкретной аналитической задачи названные<br />
гомологи могут принадлежать к ряду нормальных углеводородов,<br />
олефинов, цикланов, ароматических углеводородов, жирных<br />
кислот, спиртов и т.п.<br />
В тех случаях, когда испытуемая колонка обладает малой адсорбционной<br />
активностью, значения ЭЧП, полученные для представителей<br />
разных гомологических рядов, близки между собой и<br />
действительно характеризуют разделяющую способность колонки.<br />
Величину, определяемую таким образом, Кайзер [129] предложил<br />
называть числом разделения. Несколько .позже Харрелл и<br />
Перри [130] предложили пользоваться стандартным эффективным<br />
числом пиков (СЭЧП), которое определено так же, как и<br />
ЭЧП, однако относится к гомологам нормальных углеводородов,<br />
имеющих в данных условиях разделения отношение распределения<br />
к > 5. По определению, ЭЧП показывает, сколько компонентов,<br />
равноотстоящих по времени удерживания и полностью разделенных<br />
между собой, может разместиться между пиками двух последовательных<br />
гомологов. Эта величина, помимо характеристик<br />
колонки, зависит от природы гомологического ряда и от свойств<br />
конкретной пары гомологов, использованной для определения.<br />
Поэтому эта пара гомологов должна быть указана особо.<br />
Для последовательных гомологов при 300 К степень внутреннего<br />
разделения равна 0,8-1,0 и уменьшается с повышением температуры.<br />
Степень внутреннего разделения гомологов не связана<br />
с эффективностью колонки и зависит только от температуры<br />
разделения и природы жидкой фазы и разделяемых соединений,<br />
однако она входит в выражение для ЭЧП, в значительной мере<br />
определяя величину этого показателя в данных условиях анали-<br />
92<br />
1,20 а 10 6 л<br />
Рис. 13. Зависимость числа теоретических тарелок от коэффициента<br />
разделения при разных значениях к<br />
1 - 0,05; 2 -0,1; J- 0,5; 4 - 1,0; 5 - 5; 6 - ~<br />
Рис. 14. Зависимость эффективного числа пиков от числа теоретических<br />
тарелок колонки. Кривые рассчитаны по уравнениям (3-135)-<br />
(3-137)<br />
I - R in = 0,75; II - R !n = 0,35; о - данные работы [131]; • - данные работы<br />
[130]<br />
за. Взаимосвязь ЭЧП и R 1n при различных значениях эффективности<br />
колонки [106] показана на рис. 14, из которого видно, что<br />
в зависимости от R 1n значения числа теоретических тарелок.соответствующие<br />
одинаковым величинам ЭЧП могут различаться на<br />
один порядок величины.<br />
На рис. 14 приведены теоретические кривые при /,„ = 0,75 и<br />
0,35, а также экспериментальные результаты работ [130, 131].<br />
Величина R 1n = 0,75 близка к максимальной, наблюдаемой в экспериментах.<br />
Чаще всего R 1n оказывается величиной, близкой к<br />
0,35, что соответствует среднему значению этой величины для<br />
нанесенных на график точек. Наибольшее значение ЭЧП достигнуто<br />
Полгаром, Холстом и Гронингсом [131] на колонке, имевшей<br />
эффективность около 160 тыс. т.т.<br />
Обычно пики не расположены строго равномерно. Это приводит<br />
к тому, что между пиками двух последовательных гомологов<br />
могут находиться не больше 1/3 ЭЧП случайно расположенных<br />
неперекрывающихся между собой компонентов [132]. Однако<br />
в связи с тем, что в реальных системах возможно значительное<br />
перекрывание соседних пиков, при анализе сложных многокомпонентных<br />
смесей число наблюдаемых пиков между пиками<br />
двух последовательных гомологов может быть близким к ЭЧП<br />
или даже превышающим эту величину. Сходный параметр Z n т ,<br />
учитывающий расширение пиков при увеличении времени удерживания,<br />
предложил Штруппе [133]. Число пиков, которые могут<br />
93
уместиться на хроматограмме между пиками двух данных компонентов<br />
п и т с учетом расширения пиков при увеличении времени<br />
удерживания, равно<br />
Z =lga A (т„/2а и ) + (т,/2о.) + 1,7 8)<br />
Для облегчения расчетов величины Z n т предложена специальная<br />
номограмма [133].<br />
Можно охарактеризовать также и полное число пиков, которые<br />
могут разместиться на всем протяжении данной хроматограммы,<br />
от ее начала до компонента Z с учетом их непрерывного<br />
расширения. Такая характеристика, также предложенная<br />
Штруппе [133], выражается довольно сложной формулой, включающей<br />
параметры удерживания двух произвольных компонентов<br />
на хроматограмме:<br />
Z 1 Ig<br />
X2 (O 1 /O 2 )<br />
1+(O 2 -Ql)Z(T 2 -Т.)<br />
l-(a 2 -0-,V(T 2 -T 1 )<br />
(3-139)<br />
Два последние параметра вследствие длительности их расчета<br />
не получили распространения.<br />
Таким образом, наиболее рациональными характеристиками<br />
эффективности капиллярной колонки в настоящее время представляются<br />
общее число теоретических тарелок, фактор разделения<br />
Пернелла, выраженный числом чистых (эффективных) теоретических<br />
тарелок п', и эффективное число пиков ЭЧП для гомологов с<br />
к > 5. Второй из этих параметров требует знания времени удерживания<br />
несорбирующегося компонента в данных условиях хроматографического<br />
разделения. Способы оценки этой величины при работе<br />
с капиллярными колонками изложены в следующем разделе.<br />
3.10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ УДЕРЖИВАНИЯ<br />
НЕСОРБИРУЮЩЕГОСЯ КОМПОНЕНТА ПРИ РАБОТЕ<br />
С КАПИЛЛЯРНЫМИ КОЛОНКАМИ<br />
Оценка времени удерживания несорбирующегося компонента<br />
(T 0 ) имеет особое значение в случае капиллярных колонок, т.к.<br />
обычно при работе с ними вклад этой величины в общее удерживание<br />
разделяемых веществ весьма велик. Поэтому в отличие от<br />
наполненных колонок рабочие характеристики капиллярных колонок,<br />
вычисленные без учета времени удерживания несорбирующегося<br />
компонента, не позволяют получить однозначную и<br />
94<br />
объективную информацию об их качестве и о том, в какой мере<br />
реализуются их потенциальные возможности.<br />
В тех случаях, когда детектирующая система обеспечивает<br />
регистрацию неудерживаемых колонкой компонентов, определение<br />
точного момента их элюирования не представляет затруднений.<br />
Так при повышенных температурах перманентные газы и<br />
диоксид углерода могут быть удобными для этой цели веществами,<br />
если использовать детектор по теплопроводности или сечению<br />
ионизации. Сернистый ангидрид или сероводород применимы<br />
при наличии пламенно-фотометрического или хемилюминесцентного<br />
детектора.<br />
Использование аргонового ионизационного и наиболее широко<br />
распространенного при работе с капиллярными колонками<br />
пламенно-ионизационного детекторов, которые чувствительны<br />
к соединениям, содержащим неокисленный углерод, сопряжено с<br />
известными трудностями при оценке T 0 . Пожалуй, единственным<br />
веществом, регистрируемым этими детекторами, сорбционной<br />
способностью которого в области температур, превышающих<br />
O 0 C, можно пренебречь, является метан, хотя в ряде работ [134,<br />
135] указано на наличие заметного удерживания этого соединения<br />
даже при температурах выше 10O 0 C. Тем не менее, описаны<br />
устройства для точного дозирования метана с целью определения<br />
мертвого времени и градуировки детекторов [136]. Однако при<br />
использовании пламенно-ионизационного детектора часто применяют<br />
косвенные способы оценки т„.<br />
В простейшем случае исходят из геометрического объема<br />
применяемой колонки и измеряемой на ее выходе объемной скорости<br />
газа. Важным условием получения правильного результата<br />
является пренебрежимо малое пневматическое сопротивление<br />
детектора. Этот вопрос подробнее рассмотрен ниже, при описании<br />
особенностей различных детектирующих систем, применяемых<br />
в сочетании с капиллярными колонками. Величина T 0 , вычисленная<br />
из геометрических размеров колонки, может заметно<br />
отличаться от наблюдаемой экспериментально вследствие неполного<br />
учета объемов дозирующего устройства, коммуникаций,<br />
соединительных элементов и т.п. Наиболее часто при оценке T n<br />
используют линейную зависимость чистых объемов удерживания<br />
гомологов от числа атомов углерода в них, которая хорошо<br />
соблюдается в случае газо-жидкостной хроматографии для веществ,<br />
принадлежащих к различным гомологическим рядам. При<br />
этом, как отмечено в главе 1,<br />
I n у> = £^»L + const, (3-140)<br />
Z Rj<br />
95
что легко записать для времени удерживания следующим образом:<br />
Z = p\g(x z -X 0 ) + q, (3-141)<br />
где р и q - константы, включающие соответствующие термодинамические<br />
параметры растворения и экспериментальные поправки.<br />
Для того чтобы найти три неизвестные величины: р, q и<br />
X 0 , необходимо иметь три независимых уравнения вида (3-141).<br />
Эти уравнения легко составить при наличии данных для трех членов<br />
гомологического ряда с числом атомов углерода /', / и т. Записывая<br />
для этих компонентов уравнения (3-141)<br />
i = plg(x t -x 0 ) + q;<br />
l = p\g(x t -x 0 ) + q; (3-142)<br />
m = p]g(X m -X Q ) + q<br />
и исключая р и q, получим уравнение, содержащее только один<br />
неизвестный параметр T 0 :<br />
причем<br />
HIzL = i g T "~ T o AgVl^L, (3.143)<br />
/-/ X 1 -X 0 / X 1 -X 0<br />
т-I = I-L (3-144)<br />
Если, например, для определения взяты три последовательных<br />
члена гомологического ряда, то<br />
т — 1 _<br />
(3-145)<br />
l-i ~ '<br />
откуда легко найти T 0 :<br />
X 1 — X 0 T,- — T 0<br />
° 1 а + т,-2х,<br />
(3-146)<br />
(3-147)<br />
Полученное соотношение, действительное и для объемов удерживания<br />
и для соответствующих им отрезков на хроматограмме,<br />
составляет суть метода оценки T 0 , предложенного Петерсоном и<br />
Хиршем [137] (рис. 15).<br />
Вычисления в этом методе могут быть упрощены, если при<br />
измерении отрезков на хроматограмме отсчитывать их длину от<br />
96<br />
Рис. 15. Упрощенный<br />
способ оценки времени<br />
удерживания несорбирующегося<br />
компонента<br />
оса пика среднего компонента / (рис. 15). Легко видеть, что в этом<br />
случае<br />
ЗД<br />
Х ° =Х '-Т^Т'<br />
Л т ~ Л !<br />
(3 " 148)<br />
где X/ шХ т - отрезки между максимумами пиков компонента / и<br />
компонентов т и / (см. рис. 15).<br />
Метод Петерсона и Хирша может быть использован только<br />
при выполнении условия (3-144). От этого ограничения свободен<br />
метод Голда [138], включающий графическое решение системы<br />
уравнений (3-142). Эту систему записывают в форме<br />
P 1 =U-O<br />
Рг={т-1)<br />
Ig<br />
T, - Тг<br />
\g T-Tn<br />
х /-*о<br />
(3-149)<br />
Задаваясь различными значениями T 0 , строят графики р =/(т 0 ).<br />
Точка пересечения графиков дает общее решение системы (3-<br />
149), то есть истинное значение искомого времени удерживания<br />
несорбирующегося компонента. Такой способ решения системы<br />
(3-142) позволяет использовать три гомолога с любым числом<br />
атомов углерода, пики которых могут быть зарегистрированы на<br />
одной хроматограмме. Сходный способ описан в работе [139].<br />
Рассмотренные методы позволяют определять время удерживания<br />
нерегистрируемого детектором несорбирующегося<br />
компонента с точностью до 0,2-0,3%, что удовлетворяет большинству<br />
требований, предъявляемых практикой. Ввиду того, что<br />
в изотермических условиях на одной хроматограмме обычно могут<br />
быть зарегистрированы пики 5-6 членов гомологического<br />
ряда, наиболее приемлемым является метод Петерсона и Хирша<br />
с тремя последовательными или различающимися на два атома<br />
углерода гомологами.<br />
4 - Руденко Б.А. Т. 1 97
3.11. СОПОСТАВЛЕНИЕ<br />
ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК<br />
КАПИЛЛЯРНЫХ И НАПОЛНЕННЫХ КОЛОНОК<br />
По сравнению с наполненными колонками капиллярные колонки<br />
имеют, помимо чисто конструктивных особенностей, ряд<br />
весьма существенных отличий, которые определяются различной<br />
физической природой сил, вызывающих расширение хроматографической<br />
зоны. При этом в случае капиллярных колонок этот процесс<br />
легче поддается контролю. Движение газа-носителя в колонках<br />
без наполнителя сопровождается значительно меньшими энергетическими<br />
потерями, чем движение его в заполненных пористым<br />
материалом трубках с той же величиной свободного сечения. Это<br />
находит свое отражение в том, что значения показателя эффективности,<br />
определяемого выражением (3-93), для наполненных колонок<br />
оказываются в 10-100 раз большими, чем для капиллярных.<br />
Голей указывает: "...Я ошибочно пользовался термином "капиллярные<br />
колонки"... Не малая величина сечения, а отсутствие<br />
заполнения в полых трубчатых колонках позволяет улучшить на<br />
два порядка показатель эффективности по сравнению с наполненными<br />
колонками. В самом деле, можно полагать, что отличные<br />
значения показателя эффективности могут быть получены<br />
при разделении веществ в трубе газопровода диаметром 600 мм и<br />
протяженностью от Техаса до Мэна*, если его внутренняя поверхность<br />
покрыта жидкой фазой" [141].<br />
Хотя приведенная цитата указывает на неудачный характер<br />
термина "капиллярные колонки", это название будет и далее<br />
применяться в настоящей книге, т.к. оно прочно вошло в терминологическую<br />
практику научной литературы и в большинстве<br />
случаев не вызывает недоразумений. Вместе с тем, этот термин<br />
понимается здесь строго в соответствии с приведенным выше замечанием<br />
Голея. Это уточнение должно исключить путаницу,<br />
связанную с применением колонок малого диаметра, заполненных<br />
сорбентом. Такие колонки, часто называемые "микронаса-<br />
,дочными" или "микронаполненными", были рассмотрены в гл. 2.<br />
По своим физическим характеристикам они, несомненно, являются<br />
не более чем вариантом обычных наполненных колонок.<br />
Наиболее явно различие между характеристиками наполненных<br />
и капиллярных колонок проявляется при сравнении<br />
величин P - отношений объемов газообразной и жидкой фаз<br />
в колонке. По данным ряда исследователей [142-144], эта<br />
* Около 3000 км.<br />
98<br />
Рис. 16. Зависимость коэффициента<br />
P от толщины пленки жидкой<br />
фазы для колонок диаметром<br />
/ - 0,125 мм; 2 - 0,25 мм; 3 -<br />
0,5 мм; 4 - 0,775 мм<br />
величина для наполненных<br />
колонок составляет 6-30,<br />
лишь в редких случаях 50-60<br />
(для колонок с очень малым<br />
содержанием жидкой фазы).<br />
Напротив, для капиллярных<br />
колонок характерны значения<br />
р, превышающие 50, а<br />
часто достигающие 500-1000<br />
[145]. Полагая, что колонка<br />
имеет строго цилиндрическую<br />
форму и идеально<br />
df, мкм<br />
гладкую поверхность, можно рассчитать коэффициент P для<br />
заданного диаметра капилляра d c и толщины пленки d f<br />
р = А_ +^_,.<br />
Ad f d c<br />
Учитывая, что (dj/d ( ) < 1, получим<br />
d..<br />
P = Ad1<br />
-1.<br />
(3-150)<br />
(3-151)<br />
Результаты расчетов P по формуле (3-151)) для наиболее часто<br />
встречающихся типов колонок приведены на рис. 16. Ввиду того,<br />
что в практике работы с капиллярными колонками наиболее обычные<br />
значения толщины пленки лежат в пределах 0,2-2 мкм, соответствующие<br />
значения P составляют 1500-250. Следовательно, согласно<br />
уравнению (3-4), число теоретических тарелок, формально<br />
определяемых соотношением (3-136) и требующихся для достижения<br />
степени разделения R s , при одном и том же коэффициенте разделения<br />
а, будет для капиллярных колонок заметно большим и быстро<br />
увеличивающимся в области малых значений к. В то же время<br />
число чистых (эффективных) теоретических тарелок, которое<br />
можно выразить из формул (3-4) и (3-135) следующим образом:<br />
4*<br />
/г' = 16Л. 2 Г—1 . (3-152)<br />
Ot-I<br />
99
Таблица 1<br />
Число теоретических тарелок п для R 9 = 1 при различных значениях а и к<br />
к<br />
0,05<br />
0,10<br />
0,20<br />
0,30<br />
0,50<br />
0,75<br />
1,00<br />
1,50<br />
2,00<br />
2,50<br />
3,00<br />
5,00<br />
7,50<br />
10,00<br />
30,00<br />
а= 1,01<br />
и' =163 200<br />
71 978 260<br />
19 749 140<br />
5 875 776<br />
3 017 834<br />
1 468 944<br />
888 620<br />
652 864<br />
453 378<br />
367 236<br />
319 903<br />
290144<br />
235 031<br />
209 642<br />
197 491<br />
173 400<br />
а= 1,02<br />
л'= 41 616<br />
18 500 000<br />
5 050 000<br />
1 505 000<br />
773 000<br />
377 000<br />
226 000<br />
166 800<br />
115 000<br />
94 000<br />
81 800<br />
73 500<br />
59 300<br />
53 000<br />
50 000<br />
44 400<br />
а = 1,03<br />
л' = 18 700<br />
8 050 000<br />
2 260 000<br />
674 000<br />
346 000<br />
168 000<br />
101 500<br />
74 800<br />
51400<br />
42 100<br />
36 600<br />
32 900<br />
26 600<br />
23 750<br />
22 400<br />
19 800<br />
а = 1,05<br />
л' = 7070<br />
3 120 000<br />
856 000<br />
255 000<br />
131000<br />
63 630<br />
38 416<br />
28 221<br />
19 600<br />
15 876<br />
13 830<br />
12 480<br />
10161<br />
9 063<br />
8 538<br />
7 500<br />
а=1,10<br />
л' = 1940<br />
985 700<br />
234 256<br />
70 000<br />
35 900<br />
17 424<br />
10 540<br />
7 744<br />
5 378<br />
4 356<br />
3 795<br />
3 520<br />
2 788<br />
2 487<br />
2 343<br />
2 060<br />
а= 1,20<br />
п = 576<br />
254 000<br />
69 800<br />
20 750<br />
10 650<br />
5 180<br />
3 ПО<br />
2 314<br />
1 585<br />
1 295<br />
1 130<br />
1 010<br />
818<br />
752<br />
692<br />
611<br />
не зависит от абсолютной величины коэффициентов к и (3 и остается<br />
одинаковым и для наполненных, и для капиллярных колонок.<br />
Интересно отметить, что при больших к и близких к единице<br />
значениях ос требуемое число чистых теоретических тарелок<br />
становится почти равным числу теоретических тарелок, определяемых<br />
соотношением Глюкауфа (3-136). Некоторые значения<br />
числа теоретических тарелок, рассчитанные по уравнению (3-<br />
135), и чистых теоретических тарелок, требующихся для разделения<br />
веществ, имеющих коэффициент разделения а при / s = I,<br />
приведены в табл. 1.<br />
Из табл. 1 видно, что при уменьшении а до 1,01-1,03 требуемое<br />
число теоретических тарелок становится очень большим. В то же<br />
время, именно эта область значений а характерна для разделений,<br />
осуществляемых с помощью капиллярных колонок. С другой стороны,<br />
п быстро растет при снижении коэффициента к. Как будет<br />
показано, реально достижимые значения п' составляют 30—40 тыс.<br />
теоретических тарелок, что позволяет разделять смеси веществ с<br />
коэффициентом а > 1,02. Учитывая, что капиллярные колонки<br />
применяются почти исключительно для целей анализа и что достаточно<br />
полная информация о количественном составе смеси может<br />
быть получена уже при степени разделения пиков R 1 . ~ 0,4, минимально<br />
требуемые значения эффективности колонок могут быть<br />
меньше величин, указанных в табл. 1, примерно в 5-6 раз.<br />
Таким образом, реально достижимым пределом аналитических<br />
возможностей колонки может быть разделение смеси двух<br />
100<br />
компонентов, различающихся на 1% по величине чистого времени<br />
удерживания и имеющих время удерживания в 2-3 раза превышающее<br />
т„. В то же время, сопоставляя требуемые числа теоретических<br />
тарелок для разных к при одном и том же значении а,<br />
можно видеть, что капиллярные колонки при прочих равных условиях<br />
требуют большего их числа, чем наполненные. Так, при<br />
значении коэффициента ос = 1,10, близком к предельному для наполненных<br />
колонок, число тарелок, при к = 5, составляет 2 788,<br />
при к = 0,5 возрастает до 17 424. Однако эти более высокие значения<br />
общего числа теоретических тарелок могут быть достигнуты<br />
с помощью капиллярных колонок в большинстве случаев с<br />
меньшими трудностями, чем требуемые при работе с наполненными<br />
колонками. Записывая уравнение (3-135) для капиллярной<br />
и наполненной колонок и полагая достигаемую степень разделения<br />
R s для обеих колонок одинаковой, получим после деления одного<br />
уравнения на другое:<br />
п.,<br />
^04)<br />
(3-153)<br />
где индексы с яр относятся к капиллярной и наполненной колонкам,<br />
соответственно.<br />
Члены с а сократятся, так как этот параметр при постоянной<br />
температуре не зависит от коэффициента р. Так как<br />
П.,<br />
V*c=Pc/P,<br />
2<br />
P c (l+U" "Рс+*Т<br />
р р (1+*,)_<br />
A + *.<br />
(3-154)<br />
(3-155)<br />
Для веществ, элюируемых из наполненных колонок не слишком<br />
быстро, т. е. имеющих достаточно большой коэффициент распределения<br />
К, в первом приближении можно считать, что P < К.<br />
Тогда<br />
На<br />
п.,<br />
Pc +*<br />
К<br />
К<br />
к,.+\<br />
(3-156)<br />
Так как вследствие больших величин P, к с в капиллярной колонке<br />
имеет значение 0,5-1,0 и менее, число тарелок, требуемое в<br />
этом случае, оказывается в 10-100 раз большим, чем при работе<br />
с наполненными колонками. Это соотношение несколько завышено,<br />
однако опыт показывает, что для достижения одинакового<br />
101
разделения на наполненных и капиллярных колонках эффективность<br />
последних должна быть в три-четыре раза больше. Однако<br />
на капиллярных колонках можно получить не только минимально<br />
необходимые значения эффективности, но и значительно<br />
большие, обеспечивающие разделение близких по своим свойствам<br />
органических соединений. Например, относительно легко<br />
достижимое значение эффективности 5 • 10 4 т.т. при величине отношения<br />
распределения к = 1,5 соответствует числу чистых теоретических<br />
тарелок<br />
«' = 5-10 4 [1,5/(1+ 1,5)] 2 =18 000, (3-157)<br />
что трудно достижимо при использовании наполненных колонок.<br />
Важной особенностью капиллярных колонок является их малое<br />
сопротивление потоку подвижной фазы. Из данных предыдущих<br />
параграфов следует, что удельная проницаемость капиллярных<br />
колонок связана с их радиусом следующим образом:<br />
B 0 = K*/*. (3-158)<br />
При этом для колонок диаметром 0,25 и 0,5 мм получаются значения<br />
5 0 , равные 1,95 • Ю- 5 и 7,81 • 10- 5 см соответственно. Эти величины<br />
примерно в 100 раз превышают значения проницаемости колонок,<br />
заполненных частицами твердого носителя, размером<br />
80-100 меш (0,15-0,18 мм) [145]. Поэтому при одинаковой длине и<br />
близких значениях скорости газа-носителя перепад давлений на капиллярных<br />
колонках оказывается на один-два порядка меньше,<br />
чем на наполненных колонках. Из следующего примера можно видеть,<br />
что это означает. При разделении смеси ацетона и его полностью<br />
дейтерированного аналога (гексадейтероацетона) на колонке<br />
с полидиметилсилоксаном коэффициент разделения а составляет<br />
1,023 [146]. Минимальное число теоретических тарелок, требуемое<br />
для обеспечения степени разделения R 1 . = 0,5 при использовании наполненной<br />
колонки с к = 10, составляет 10 тыс. теоретических тарелок<br />
при расчете по формуле (3-135); при к = 0,5 получаем п =<br />
72 тыс. теоретических тарелок. Если удельная эффективность наполненной<br />
колонки около 1000 т.т. на 1 м ее длины, что соответствует<br />
значениям ВЭТТ около 1 мм, то для разделения потребуется<br />
колонка длиной не менее 10 м, причем при практически приемлемых<br />
значениях времени удерживания перепад давления на этой колонке<br />
будет равен 10-15 кг/см 2 . С другой стороны, капиллярная колонка<br />
даже при той же удельной эффективности (1000 т.т. на 1 м<br />
длины) будет иметь длину 75-100 м и перепад давления на ней не<br />
будет превышать 1-2 кг/см 2 , что легко достижимо при использовании<br />
самой обычной хроматографической аппаратуры.<br />
102<br />
ЭЧП<br />
10<br />
5<br />
0<br />
80<br />
60 -<br />
40<br />
20<br />
U 1 lit г И<br />
ни<br />
"<br />
ч<br />
"<br />
А<br />
ни<br />
• м;<br />
rffffr I f*f*<br />
IUi"<br />
Ii и и<br />
МШУ*,*)<br />
1<br />
| ' ' | !<br />
1 Ii I I I *<br />
!•<br />
H 11* I |<br />
Ii<br />
!• !<br />
Mi Ii<br />
IM<br />
I I<br />
I<br />
I<br />
22<br />
W I<br />
i26 28<br />
i I<br />
11<br />
11<br />
11<br />
11<br />
11<br />
11<br />
к<br />
10 20 30 40 50 60 боЛ 80 120 160 200<br />
I I I I I Yl I I I<br />
30<br />
Время, с<br />
Рис. 17. Разделение последовательных гомологов на различных капиллярных<br />
(тонкие штрихи) и наполненных (жирные штрихи) колонках<br />
а - полная величина разделения; б - разделение с учетом длительности анализа.<br />
Цифры на диаграмме указывают следующие литературные источники: /,<br />
2 - [153]; 3-5 - [154]; 6 - [150]; 7,12,20,21,23-25,27,28, 30 - [134]; 8 - [145]; 9 -<br />
[156]; 10 -[157]; 11 - [158]; 13 - [151]; 14 - [158]; 15, 22 - [152]; 16 - [159]; 17 -<br />
[160]; 18 - [161]; 19 - [162]; 26, 29 - [163]<br />
Таким образом, сопоставление важных в практическом отношении<br />
характеристик капиллярных и наполненных колонок показывает,<br />
что на капиллярных колонках можно сравнительно<br />
легко достигать таких значений эффективности разделения, которые<br />
при использовании наполненных колонок требуют более<br />
высоких значений перепада давления, часто находящихся за пределами<br />
возможности современной аппаратуры. Нельзя исключить,<br />
что в будущем, когда станут обычными приборы, обеспечивающие<br />
работу при давлениях на входе в колонку 50-100 кг/см 2 ,<br />
преимущества капиллярных колонок станут менее существенными.<br />
В этом случае имеется определенная вероятность, что они уступят<br />
место значительно легче воспроизводимым наполненным<br />
колонкам достаточно большой длины.<br />
Сопоставление различных параметров капиллярных и наполненных<br />
колонок провел Штруппе [105, 134,147]. Сравнение опубликованных<br />
данных о значениях ЭЧП для колонок обоих типов<br />
показало следующее. В большинстве случаев величина ЭЧП для<br />
наполненных колонок не превышает 20, составляя обычно 6-17.<br />
Лишь в работах Скотта [148], Халаша и Хейне [149] и в более<br />
позднее время Брунера с соавторами [150] были получены более<br />
высокие значения ЭЧП (25-30). С другой стороны, капиллярные<br />
103
колонки позволяют достичь значений ЭЧП, превышающих 30,<br />
40 и даже 80 [133, 137, 147, 148, 151, 152]. Полная эффективность<br />
газохроматографических колонок, выраженная величиной ЭЧП,<br />
растет с увеличением времени анализа (рис. 17). С другой стороны,<br />
величина ЭЧП, рассчитанная с учетом времени анализа<br />
[ЭЧП(х)] остается примерно постоянной при любой его длительности<br />
и не превышает 10—13. Однако из рис. 17 также видно, что<br />
капиллярные колонки позволяют достигать лучшего разделения<br />
в течение заданного времени. Эта их особенность связана именно<br />
с их большей проницаемостью и меньшим сопротивлением течению<br />
газового потока.<br />
3.12. ВЛИЯНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ПРОБЫ<br />
НА ПАРАМЕТРЫ РАЗДЕЛЕНИЯ<br />
В КАПИЛЛЯРНОЙ КОЛОНКЕ<br />
Теоретический анализ работы газохроматографических колонок<br />
обычно проводят, считая, что исходная ширина зоны, разделяемой<br />
в колонке, исчезающе мала по сравнению с шириной<br />
зоны на выходе. Распространение выводов теории на реальные<br />
процессы требует оценки снижения эффективности разделения,<br />
вызываемого конечным значением ширины исходной хроматографической<br />
зоны. Изучение этого вопроса проводили Глюкауф<br />
[125, 164], Ван-Деемтер, Цудервег и Клинкенберг [165], Гиддингс<br />
[166], Кейлеманс [167] и другие авторы [168-171]. Основные результаты<br />
этих исследований можно представить следующим образом.<br />
Если проба входит в колонку в объеме газа-носителя AV s , с<br />
гауссовским распределением концентраций, то стандартное отклонение<br />
этого распределения можно выразить величиной AVJ4.<br />
Дисперсия распределения, равная квадрату этой величины, должна<br />
быть прибавлена к дисперсии полосы, соответствующей размыванию<br />
под действием обычных диффузионных процессов в<br />
колонке и равной<br />
O 2 C = V 2 HJL. (3-159)<br />
где Н с - ВЭТТ при бесконечно малой пробе. Складывая дисперсии,<br />
получим<br />
С другой стороны, эффективность колонки при данном объеме<br />
104<br />
пробы можно выразить наблюдаемым значением ВЭТТ:<br />
откуда<br />
тогда<br />
с "<br />
L<br />
н м<br />
( у ^<br />
V CT crry<br />
2<br />
(3-161)<br />
°l (! = V 2 H ct{ /L, (3-162)<br />
с<br />
I г ки<br />
\б{ V<br />
(3-163)<br />
Относительное увеличение высоты тарелки теперь можно выразить<br />
следующим образом:<br />
H^-H 0 =njL f АУЛ 2<br />
Н с 1б1 V J<br />
Полученное уравнение показывает, что при заданном объеме<br />
пробы AV S относительное изменение ВЭТТ тем больше, чем выше<br />
эффективность колонки, выражаемая полным числом теоретических<br />
тарелок п. Вследствие того, что капиллярные колонки<br />
имеют значительно большее число тарелок, чем обычные, их<br />
эффективность с увеличением пробы падает существенно быстрее.<br />
Это обстоятельство предъявляет весьма жесткие требования<br />
к дозирующим и детектирующим устройствам хроматографов с<br />
капиллярными колонками. Эти вопросы подробно рассматриваются<br />
далее в разделах, посвященных аппаратуре для капиллярной<br />
хроматографии. Кроме того, относительная потеря эффективности<br />
сказывается прежде всего на форме пиков компонентов,<br />
имеющих небольшие объемы удерживания, тогда как пики,<br />
элюируемые позже, остаются значительно более узкими. Это означает,<br />
что если измерять величину вводимой пробы в относительных<br />
единицах, равных JnAV x IV, то для всех разделяемых<br />
веществ относительное изменение ВЭТТ должно быть одинаковым.<br />
Действительно, для наполненных колонок этот вывод был<br />
подтвержден экспериментально [166]. На рис. 18 представлена<br />
соответствующая теоретическая зависимость, найденная Ван-Деемтером,<br />
Цудервегом и Клинкенбергом [165], вместе с экспериментальными<br />
данными [169] для нормальных алканов C 5 -C x . Авторы<br />
работы [165] полагали допустимой величину пробы, соответствующую<br />
увеличению ВЭТТ на 2%. Глюкауф [125, 164] считал<br />
возможным увеличение ВЭТТ на 5%, а Кейлеманс [167] - да-<br />
105
10 V^AV 1 ZV<br />
Рис. 18. Зависимость относительного увеличения ВЭТТ от величины<br />
пробы для нормальных алканов C 3 -C 8 на колонке с Апиезоном L<br />
/ - теоретическая кривая; 2,3- экспериментальные кривые, полученные<br />
при температурах колонки 30 и 120 С С, соответственно. Разными значками обозначены<br />
результаты четырех серий опытов<br />
же на 10%. Последнее значение представляется действительно<br />
предельно допустимым. В таком случае<br />
откуда<br />
16' \6\ V J<br />
(3-165)<br />
AV 5 = VVl6/10n = 1,27У/л/я. (3-166)<br />
В более общем виде можно выразить размывание вводимой пробы<br />
следующим образом [167]<br />
AV,=a k V ctt^t (3-167)<br />
где а к - константа, определяющая величину относительного увеличения<br />
H; V cfr - эффективный объем теоретической тарелки в<br />
колонке, равный<br />
V<br />
V c!( = v g +Kv,=^<br />
п<br />
V<br />
+ K-!-,<br />
п<br />
(3-168)<br />
где и^ и V 1 - объемы газа и жидкости в пределах одной тарелки;<br />
106<br />
V 1 . - объем газа во всей колонке; V 1 - объем жидкой фазы в ней.<br />
Отсюда<br />
V ct( = V c (\ + k)/n, (3-169)<br />
а т.к. V r (l +к) = V, го<br />
AV s =a k V/Ji. (3-170)<br />
Сравнивая формулу (3-166) и (3-170), легко видеть, что для рассмотренного<br />
выше случая 10%-ной потери эффективности<br />
a t =l,27. (3-171)<br />
Интересно сопоставить максимально допустимое количество<br />
пробы с величиной, на которую число теоретических тарелок колонки<br />
отличается от минимальной эффективности, необходимой<br />
для данного разделения. Если первоначальная эффективность колонки<br />
п с на 10% превышает минимальное число теоретических тарелок,<br />
n rq , требуемое для обеспечения степени разделения / s двух<br />
близких веществ, имеющих коэффициент разделения а и наименьшее<br />
отношение распределения к, то по уравнению (3-163)<br />
1Ьак = ц.!Ь(Щ) г ; (3-172)<br />
H 0 L \Ь\ V J<br />
-^ = I + U-<br />
"eff 16 V<br />
12<br />
(3-173)<br />
1,In<br />
d2dL = I + UbDLf ^tV (3-174)<br />
«off 16 [v J'<br />
т. е. п ( . = l,l« C ff = l,ln rq . Тогда, находя n,. q , по уравнению (3-135), получим<br />
(при к > 1)<br />
AV = V ° k(a Zl\ (3-175)<br />
Заменяя газовый объем капиллярной колонки близким к нему<br />
геометрическим объемом TCd 0 L/ 4 и учитывая, что в знаменателе<br />
ос = 1, а /. отвечает минимально допустимому в условиях анализа<br />
значению 0,5, придем к простому выражению<br />
AV,-0,5
лхКг 4<br />
чина пробы растет при увеличении диаметра капиллярной трубки.<br />
С другой стороны, допустимая величина пробы быстро падает<br />
с приближением коэффициента разделения а к единице.<br />
С практической точки зрения можно считать предельно допустимой<br />
такую величину пробы, выше которой нарушается линейная<br />
зависимость от AV 5 высоты пика при условии сохранения линейности<br />
изменения его площади. Влияние величины пробы на число<br />
теоретических тарелок, высоту пика и его площадь видно из<br />
рис. 19. Отметка А на графиках отвечает изменению эффективности<br />
на 10 % по Кейлемансу [167] (AV 5 = 0,4 мкл). Отметка Б соответствует<br />
такой величине пробы, при которой нарушается ее линейная<br />
связь с высотой пика (AV 5 =1,2 мкл). В то же время легко<br />
видеть, что площадь пика линейно зависит от объема пробы<br />
вплоть до 5 мкл. Соотношение (3-176) показывает, что величина<br />
предельно допустимой пробы снижается пропорционально квадрату<br />
диаметра колонки. Поэтому при переходе от экспериментально<br />
найденных в этом примере значений к соответствующим характеристикам<br />
колонок меньшего диаметра, например 0,25 мм, получатся<br />
величины пробы, меньшие на 1,5-2 порядка величины (0,005 и<br />
0,03 мкл). Понятно, что столь малые пробы не могут быть введены<br />
непосредственно и требуют применения ряда специальных приемов,<br />
описанных далее.<br />
ЛИТЕРАТУРА<br />
1. Golay M.J.E. H Anal. Chem. 1957. Vol. 29. P. 928.<br />
2. Golay MJ.E. // Nature. 1957. Vol.180. P. 435.<br />
3. Ettre L.S. II Open tubular columns in gas chromatography. N.Y.: Plenum<br />
press, 1965.<br />
108<br />
Рис. 19. Зависимости числа<br />
теоретических тарелок (/),<br />
высоты пика h (2) и его<br />
площади S (5) от величины<br />
пробы н-гексана [155]. Капиллярная<br />
колонка со<br />
скваланом, длина 100 м,<br />
диаметр 1,55 мм. Температура<br />
50 0 C; скорость газаносителя<br />
(гелия) 60 мл/мин<br />
4. Golay MJ.E. // Gas chromatopraphy, 1957 / Ed. V.J. Coates et al. N.Y.:<br />
Acad, press, 1958. P. 36.<br />
5. Golay MJ.E. // Gas chromatography, 1958 / Ed. D.H. Desty. L.:<br />
Butterworths, 1958. P. 36. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография. M.:<br />
Изд-во иностр. лит., 1961. С. 39.<br />
6. Dijkstra G., De Goey J. // Ibid. P. 55-68. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография.<br />
M.: Изд-во иностр. лит., 1961. С. 61.<br />
7. McWilliam J.С, Dewar RA. // Naturero 1958. Vol. 181ю P. 1664.<br />
8. Lovelock.I.E. // Ibid. Vol. 182. P. 1663.<br />
9. Ryce SA., Bryce WA. // Canad. J. Chem. 1957. Vol. 35. P. 1293.<br />
10. Desty DH. II Gas chromatographic 1958 / Ed. H.-P. Angele. B.: Akad.-<br />
Verl., 1959. P. 176.<br />
11. Desty DM., Goldup A., Whyman B.H.F. // J. Inst. Petrol. 1959. Vol 45<br />
P. 287.<br />
12. ScottR.P.W. //Nature. 1959. Vol. 183. P. 1753.<br />
13. Zlatkis A., Kaufman HR. //Ibid. Vol. 184. P. 2010.<br />
14. PumellJ.H. // Ibid. P. 3009.<br />
15. Desty D.H., Haresnape J.N., Whyman B.H.F. //Anal. Chem. 1960. Vol. 32.<br />
P. 302.<br />
16. Bruner F., Cartoni G., Liberti A. // Chim. indystr. 1962. Vol. 44. P. 999.<br />
17. Halasz I., Schneider W. // Anal. Chem. 1961. Vol. 33. P. 978.<br />
17. TeranishiR., Nimmo CC., Corse J. //Ibid. 1960. Vol. 32. P. 1384.<br />
19. Kelley.f.D., Walker.I.Q. //Ibid. 1969. Vol. 41. P. 1340.<br />
20. Ettre L.S., Cieplinski E.W., Averill W. // J. Gas chromatogr. 1963. Vol. 1.<br />
P. 7.<br />
21. Jentzsch D., Hovermann W. Ц J. Chromatogr. 1963. Vol. 11. P. 440.<br />
22. Halasz 1., Horvath C. II Anal. Chem. 1963. Vol. 35. P. 499.<br />
23. Halasz 1., Horvath C. Il Nature. 1963. Vol. 197. P. 71.<br />
24. Grob K. H HeIv. chim. acta. 1965. Vol. 48. P. 1362.<br />
25. Ettre L.S., Purcell .I.E., Norem SD. // J. Gas chromatogr. 1965. Vol. 3.<br />
P. 181.<br />
26. Golay MJ.E. // Gas chromatography, 1960 / Ed. R.P.W. Scott. L.:<br />
Butterworths, 1960. P. 130. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография. M.:<br />
Мир, 1964. С. 187.<br />
27. Scott R.P.W., Hazeldean G.S.F. // Ibid. P. 144. Рус. пер. в кн.: Газовая<br />
хроматография. M.: Мир, 1964. С. 195.<br />
28. Desty D.H., Goldup A. // Ibid. P. 165. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография.<br />
M.: Мир, 1964. С. 220.<br />
29. Pat. 834390 (Gr. Brit.). Pabl. 1960.<br />
30. Scott R.P.W. //Nature. 1960. Vol. 185. P. 312.<br />
31. Scott R.P.W., Cumming CA. // Gas chromatography, 1960 / Ed.<br />
R.P.W. Scott. L.: Butterworths, 1960. P. 20. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография.<br />
M.: Мир, 1964. С. 159.<br />
32. Dorsey JA., Hunt R.H., O'Neal MJ. // Anal. Chem. 1963. Vol. 35.<br />
P. 511.<br />
33. Teranishi R., Corse J.W., McFadden W.H. et al. // J. Food Sci 1963<br />
Vol. 28. P. 478.<br />
34. Varadi P.F., Ettre K. // Anal. Chem. 1962. Vol. 34. P. 1417.<br />
109
35. Henneberg D., Shomhurg G. Il Gas chromatography, 1962 / Ed. M. van<br />
Swaay. L.: Butterworths, 1962. P. 191.<br />
36. McFadden W.H., Teranishi R., Black D.R., Day J.C Il J. Food. Sci. 1963.<br />
Vol. 28. P. 316.<br />
37. Ryhage R. Il Anal. Chem. 1964. Vol. 36. P. 759.<br />
38. Ryhage R., Wikstrom S., Waller GR. Il Ibid. 1965. Vol. 37. P. 435.<br />
39. Vollmin JA. // Chromatographia. 1970. Vol. 3. P. 238.<br />
40. Grob K., Grob G. /IJ. Chromatogr. 1971. Vol. 62. P. 1.<br />
41. Zlatkis A., Lichtenstein H.A., Tishbee A. // Chromatographia. 1973. Vol. 6.<br />
P. 67.<br />
42. Lao R.C., Thomas R.S., Monkman JL. // Intern. J. Environ. Anal. Chem.<br />
1972. Vol. 1. P. 187.<br />
43. Lao R.C., Thomas R.S., Oja H., Dubois L. Il Anal. Chem. 1973. Vol. 45.<br />
P. 908.<br />
44. Purcell .I.E., Ettre L.S. Il J. Gas Chromatogr. 1966. Vol. 4. P. 23.<br />
45. Mohnke M., Saffert W. // Chem. Technol. 1961. Vol. 13. P. 685.<br />
46. Mohnke M., Saffert W. // Gas chromatography, 1962 / Ed. M. van Swaay.<br />
L.: Butterworths, 1963. P. 216.<br />
47. Petitjean D.L., Leftault CJ., Jr. Il J. Gas Chromatogr. 1963. Vol. 1.<br />
P. 18.<br />
48. Schwartz R.D., Brasseaux DJ., Shoemake G.R. Il Ibid. P. 32.<br />
49. Schwartz RD., Brasseaux DJ., Shoemake G.R. Il Anal. Chem. 1963.<br />
Vol. 35. P. 496.<br />
50. Halacz I., Gerlach H.-O. Il Ibid. 1966. Vol. 38. P. 281.<br />
51. Goretti G., Liberti A., Nota G. //J. Chromatogr. 1968. Vol. 34. P. 96.<br />
52. Goretti G., Liberti A., Nota G. Il Gas chromatography, 1968 / Ed.<br />
C.L.A. Harbourn. L.: Inst. Petrol., 1969. P. 23. Discuss.: p. 30.<br />
53. Bumm С.В., Бондарев В.В., Полинин ВЛ. II Изв. АН СССР. Сер. хим.<br />
1964. №5. С. 1145.<br />
54. Калмановский В.И., Киселев А.В., Лебедев В.P. и др. // Газовая хроматография.<br />
M.: Наука, 1964. С. 157.<br />
55. Калмановский В.И., Киселев А.В.,Лебедев В.P. и др. // Журн. физ. химии.<br />
1961. T. 35. С. 1386.<br />
56. Калмановский В.И., Лебедев В.Р., Полякова Л.В. и др. // Труды по<br />
химии и химической технологии. Горький, 1961. Вып. 2. С. 351.<br />
57. Калмановский В.И., Киселев А.В.,Лебедев В.P. и др. //Abh. Dt. Akad.<br />
Wiss. Berlin. Kl. Chem., Geol., Biol. 1962. N 1. S. 275.<br />
58. Миронов AC., Яновский М.П., Кузнецова E.В. и др. // Газовая хроматография.<br />
M.: Наука, 1964. С. 392.<br />
59. Struppe H-G. II Gas chromatographic, 1961 / Ed. M. Schroter, K. Metzner.<br />
В.: Akad.-Verl., 1962. S. 409.<br />
60. Struppe H-G. II Chem. Technol. 1962. Vol. 14. P. 114.<br />
61. Struppe H-G. Il Gas chromatographic 1963 / Ed. H.-G. Struppe, H.-<br />
P. Angele. B.: Akad.-Verl. 1964. S. 265.<br />
62. Struppe H.-G. Il Ber. Bunsengesellschaft. 1965. Bd. 69. S. 833.<br />
63. Struppe H-G. Il Zlschr. Chem. 1966. Bd. 6. S. 272.<br />
64. Struppe H-G., Rodewald D.. Lorenz J. et al. Il Ibid. 1974. Bd. 14.<br />
S. 252-260.<br />
110<br />
65. Struppe H.-G. H Abh. Dt. Akad. Wiss. Berlin. Kl. Chem., Geol., Biol. 1962.<br />
N 1, S. 409^39.<br />
66. Schomburg G., Hussman H. Il Chromatographia. 1971. Vol. 4. P. 517.<br />
67. Schomburg G., Hussman H., Rittman R. // J. Chromatogr. 1981. Vol. 204.<br />
P. 85-96.<br />
68. Schomburg G., Benlau H., Dielmann R. et al. // Ibid. 1977. Vol. 142.<br />
P. 87-102.<br />
69. Schomburg G., Haussig U., Hussman H. // J. High Resolut. Chromatogr.<br />
1985. Vol. 8. N9. P. 566-571.<br />
70. Schomburg G., Schelfaut M., Verzele M. // Ibid. 1982. Vol. 5. P. 50-57.<br />
71. Schomburg G., Husmann H., Behlau H., Schulz F. // J. Chromatogr. 1983.<br />
Vol. 279. P. 251-258.<br />
72. Schomburg G., Husmann H., Schulz F. et al. // Ibid. P. 259-267.<br />
73. Horning E.C, Brooks CJW., Van-den-Heuvel W.J.A. /I Advances in lipid<br />
research. N.Y.: Acad, press, 1968. Vol. 6.<br />
74. Horning E.C., Horning M.G., Szafranek J. et al. Il J. Chromatogr. 1974.<br />
Vol. 91. P. 367.<br />
75. Szafranek J., Pfaffenberger CD., Horning E.C. Il Ibid. Vol. 88. P. 149.<br />
76. Pfaffenberger CD., Horning EC. // Ibid. 1975. Vol. 112. P. 581.<br />
77. Grob K. II HeIv. chim. acta. 1968. Vol. 51. P. 718.<br />
78. Kaiser R. // Chromatographic in der Gasphase. Mahngeim: Bibl. Inst., 1961.<br />
79. Kaiser R. // Chromatographia. 1968. Vol. 1. P. 34.<br />
80. Ilkova E.L., Mistryukov E.A. Il Ibid. 1971. Vol. 4. P. 77.<br />
U. Ilkova E.L., Mistryukov E.A. // J. Chromatogr. Sci. 197i. Vol. 9.<br />
P. 569.<br />
82. Ilkova E. L., Mistryukov E.A. // J. Chromatogr. 1971. Vol. 54. P. 422.<br />
83. Березкин В.Г., Руденко Б.А., Кязимов E.A. // Изв. АН СССР. Сер.<br />
хим. 1975. № 10. С. 2352.<br />
84. Teranishi R., Corse J.W., McFadden WH. et al. // J. Food Sci. 1963<br />
Vol. 28. P. 316.<br />
85. Varadi P.F., Ettre K. // Anal. Chem. 1962. Vol. 34. P. 1417.<br />
86. McFadden W.H., Teranishi R., Black D.R., Day J.C. Il J. Food Sci. 1963.<br />
Vol. 28. P. 478.<br />
87. Henneberg D., Schomburg G. Il Gas chromatography, 1962 / Ed. M. van<br />
Swaay. L.: Butterworths, 1962. P. 191.<br />
88. Zlatkis A., Lichtenstein HA., Tishbee A. // Chromatographia. 1973. Vol. 6.<br />
P. 67.<br />
89. Lao R.C, Thomas R.S., Oja H., Dubois L. // Anal. Chem. 1973. Vol. 45.<br />
P. 908.<br />
90. Gudzinovicz BJ., Gudzinovicz MJ., Martin HF. Fundamentals of<br />
Integrated GC-MS. N.Y.: Dekker, 1979.<br />
91. McFadden W. Techniques of combined gas chromatography / Mass spectrometry<br />
applications in organic analysis. N.Y.: Wiley, 1973.<br />
92. Ancillary techniques of gas chromatography / Ed. L.S. Ettre. N.Y.: Wiley<br />
1969.<br />
93. Исидоров BA., Зенкевич Л.Г. Хромато-масс-спектрометрическое<br />
определение следов органических веществ в атмосфере. Л.: Химия<br />
1982.<br />
111
94. Karasek F.W., Klement R.E. Basic gas chromatography - mass spectrometry.<br />
Amsterdam: Elsevier, 1988.<br />
95. Lao R.C., Thomas R.S., Monkman JL. Il J. Chromatogr. 1975. Vol. 112.<br />
P. 681.<br />
96. Ciccioli P., Bertoni G., Brancaleoni E. et al. //Ibid. 1976. Vol. 126. P. 757.<br />
97. Руденко Б.А. Капиллярная хроматография. М.: Наука, 1978.<br />
98. Шляхов А.Ф. Il Капиллярная газовая хроматография. M.: ВИНИ<br />
ТИ, 1978. С. 71-100.<br />
99. Jennings W. Gas chromatography with glass capillary columns. N.Y.:<br />
Acad, press, 1978. Рус. пер.: Газовая хроматография на стеклянных<br />
капиллярных колонках. M.: Мир, 1980.<br />
100. Chromatography: Fundamentals and application of chromatographic and<br />
electrophoretic methods / Ed. E. Heftman. N.Y.: Elsevier, 1983.<br />
101. Application of glass capillary gas chromatography / Ed. W. Jennings.<br />
N.Y.; Basel: Dekker, 1981.<br />
102. Theoretical advancement in chromatography and related separation techniques<br />
/ Ed. F. Dondi, G. Guiochon. Dordrecht: Kluwer, 1992.<br />
103. High resolution gas chromatography / Ed. K.J. Hyver. Hewlett-Packard,<br />
1989. Рус. пер.: Высокоэффективная газовая хроматография. M.:<br />
Мир, 1993.<br />
104. Targ S.M. Basic problems of theory of laminar flow. 1950.<br />
105. Harris W.E., Habgood H.W. Programmed temperature gas chromatography.<br />
N.Y.: Wiley, 1966. Рус. пер.: Газовая хроматография с программированием<br />
температуры. M.: Мир, 1968.<br />
106. Carman P. С. Flow of gases through porous media. L., Butterworths,<br />
1956.<br />
107. James A. T., Martin A. J. P. // Biochem. J. 1952. Vol. 50. P. 679.<br />
108. Пецев H., Коцев H. Справочник по газовой хроматографии. M.:<br />
Мир, 1987.<br />
109. Hilsenrath./., Touloukian Y.S. Trans. ASME. 1954. Vol. 76. P. 967.<br />
110. Golay M.J.E. II Gas chromatography / Ed. V.J. Coates et al. N.Y.: Acad.<br />
press, 1958. P. 1.<br />
111. Golay MJ.E. Il Gas chromatography, 1958 / Ed. D.H. Desty. L.:<br />
Butterworths, 1958. P. 20. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография. M.:<br />
Изд-во иностр. лит., 1961. С. 39.<br />
112. Smuts T.W., Buys T.S., Du Toit T.G. et al. // J. High Resolut. Chromatogr.<br />
Chromatogr. Commun. 1981. Vol. 4, N 8. P. 385-392.<br />
113. Khan MA. //Nature. 1960. Vol. 186. P. 800.<br />
114. Khan MA. // Gas chromatography, 1962 / Ed. M. van Swaay. L.:<br />
Butterworths, 1962. P. 112.<br />
115. Дести Д., Голдап А., Уайман Б.Х.Ф. // Газовая хроматография. M.:<br />
ГОСИНТИ, 1961. Вып. 1 (2). С. 3.<br />
116. Goldup A. Il Gas chromatography, 1962 / Ed. M. van Swaay. L.:<br />
Butterworths, 1962. P. 17.<br />
117. Shay G. //Ibid. P. 67.<br />
118. TakasJ.M. //J. Chromatogr. 1981. Vol. 213, N 3. P. 371-388.<br />
119. Edwards TJ., Newman J. // Macromolecules. 1977. Vol. 10. N 3.<br />
P. 609-615.<br />
112<br />
120. Гарбузов В.Г., Васильев А.В., Головня Р.В. // Изв. АН СССР. Сер.<br />
хим. 1980, №7. С. 1491.<br />
121. Sandra P., Verzele M. Il J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr.<br />
Commun. 1980. Vol. 3, N 5. P. 253-256.<br />
122. Desty D.H., Douglas AA. // J. Chromatogr. 1977. Vol. 142. P. 39-56.<br />
123. Pretorius V., Smuts T.W. II Anal. Chem. 1966. Vol. 38. P. 274.<br />
124. Smuts T.W., De Clerk K., Pretorius V. // Separ. Sci. 1968. Vol. 3.<br />
P. 43.<br />
125. Schieke J.D., Smuts T.W., Pretorius V. /I Ibid. P. 27.<br />
126. GlueckaufE. //Trans. Faraday Soc. 1955. Vol. 51. P. 34.<br />
127. Purnell J.H. H Nature. 1959. Vol. 184. P. 2009; J. Chem. Soc. 1960.<br />
P. 1268.<br />
128. Hurrell RA., Perry S.G. Il Nature. 1962. Vol. 196. P. 571.<br />
129. Kaiser R. //Ztschr. anal. Chem. 1962. Bd. 189. S. 1.<br />
130. Kaiser R. II Chromatographia. 1976. Vol. 9. P. 337, 463.<br />
131. Perry S.G., Hurrell RA. IIJ. Gas chromatogr. 1965. Vol. 3. P. 2.<br />
132. Polgar A.G., Hoist JJ., Groennings S. Il Anal. Chem. 1962. Vol. 34.<br />
P. 1226.<br />
133. Klein P.D., Tyler SA. //Ibid. 1965. Vol. 27. P. 1280.<br />
134. Struppe H-G. Il Handbuch der Gas chromatographic Leipzig: Geest und<br />
Portig, 1970. Th. 1. S. 56. Рус. пер.: Руководство по газовой хроматографии.<br />
M.: Мир, 1988. С. 46-140.<br />
135. Bruno TJ. /IJ. Chromatogr. A. 1996. Vol. 721. P. 157-164.<br />
136. Knox. J.H., McLaren L. II Anal. Chem. 1963. Vol. 35. P. 449.<br />
137. Adlard R.R., Khan MA., Whitham B.T. Il Gas chromatography, 1962 / Ed.<br />
M. van Swaay. L.: Butterworths, 1962. P. 84.<br />
138. Peterson ML., Hirsch J. // J. Lipid Res. 1959. Vol. 1. P. 132.<br />
139. Grobler A., Babiz G. Il J. Chromatogr. Sci. 1974. Vol. 12. P. 57.<br />
140. GoIdHJ. H Anal. Chem. 1962. Vol. 34. P. 174.<br />
141. Golay M. Il Gas chromatography, 1960 / Ed. R.P.W., Scott. L.:<br />
Butterworths, 1960, P. 150. Рус. пер.: Газовая хроматография. М.:<br />
Мир, 1964. С. 187-219.<br />
142. BarrJ.K., Sawyer D.T. II Anal. Chem. 1964. Vol. 36. P. 1753.<br />
143. BohemenJ., Purnell J.H. //J. Chem. Soc. 1961. P. 2630.<br />
144. Perrett R.H., Purnell J.H. // Anal. Chem. 1963. Vol. 35. P. 430.<br />
145. Ettre L.S. Introduction to open tubular columns. Norwalk: Perkin-Elmer,<br />
1978.<br />
146. Chizhkov V.P., Sinitsina LL. Il J. Chromatogr. 1975. Vol. 104. P. 327.<br />
147. Kaiser R., Struppe H.-G. II Gas chromatographic, 1959: Symp. iiber Gas-<br />
Chromatographie im Bolen. B.: Akad.-Verl., 1959.<br />
148. ScottR.P.W. //Nature. 1959. Vol. 183. P. 1753.<br />
149. Halasz 1., Heine E. // Ibid. 1962. Vol.194. P. 971.<br />
150. Bruner P., Di Corcia A. // J. Chromatogr. 1969. Vol. 45. P. 304.<br />
.51. Ettre L.S., Cieplinski VV., Kabot FJ. Il J. Gas Chromatogr. 1963. Vol. 1.<br />
P. 38.<br />
152. Schneck E. Il Brennstoff-Chem. 1963. Vol. 44. P. 354.<br />
153. Halasz 1.. Horvath C. II Anal. Chem. 1964. Vol. 36. P. 2226.<br />
154. Halasz 1., Hoiyath C. Il Ibid. 1963. Vol. 35. P. 499.<br />
113
155. Wegner E.E. // Gas-Chroma tographie, 1961 / Ed. M. Schroter,<br />
K. Metzner. В.: Akad.-VerL, 1962. S. 285.<br />
156. Ettre L.S., Cieplinski E.W., Averill W. // J. Gas Chromatogr. 1963. Vol. 1.<br />
P. 7.<br />
157. Averill W. // Ibid. P. 22.<br />
158. Schneider W., Bruderreck H., Halasz 1. // Anal. Chem. 1964. Vol. 36.<br />
P. 1533. .<br />
159. Kabot FJ., Ettre L.S. Il Ibid. P. 250.<br />
160. Schwartz R.D., Brasseaux DJ., Shoemake CR. Il J. Gas Chromatogr.<br />
1963. Vol. 1. P. 32.<br />
161. Scott CC, Phillips CCS. Il Gas chromatography, 1964 / Ed. A. Goldup.<br />
L.: Butterworths, 1965. P. 266.<br />
162. Desty DH. Goldup L., Whyman B.H.F. // J. Inst. Petrol. 1959. Vol. 45.<br />
P. 287.<br />
163. Scott R.P.W. //Manufact. Chem., 1958. Vol. 29. P. 517.<br />
164. GlueckaufE. //Trans. Faraday Soc. 1964. Vol. 60. P. 729.<br />
165. Van Deemter JJ., Zuiderweg FJ., Klinkenberg A. // Chem. Eng. Sci. 1956.<br />
Vol. 5. P. 271.<br />
166. Giddings J.C Il Anal. Chem. 1962. Vol. 34. P. 722.<br />
167. Keulemans A.IM. Il Gas chromatography. N.Y.: Reinhold, 1959.<br />
168. Porter P.E., Deal CY., Stross F.H. // J. Amer. Chem. Soc. 1956. Vol. 78.<br />
P. 2999.<br />
169. HollingsheadL.W., HahgoodH.W., Harris W.E. //Canad. J. Chem. 1965.<br />
Vol. 43. P. 1560.<br />
170. Guiochon C Il Anal. Chem. 1963. Vol. 35. P. 399.<br />
171. Гьошон Г., Жакоб Л. // Успехи хроматографии. M.: Наука, 1972.<br />
С. 170—178.<br />
Глава 4<br />
ПРИГОТОВЛЕНИЕ<br />
КАПИЛЛЯРНЫХ КОЛОНОК<br />
4.1. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ<br />
КАПИЛЛЯРНЫХ КОЛОНОК<br />
Для приготовления капиллярных колонок используют трубки<br />
длиной до 1000 м и более и диаметром от сотых долей миллиметра<br />
до 1-2 мм. Требования, которым должны удовлетворять исходные<br />
трубки, многообразны и часто противоречивы [1-4]. Основные<br />
из них могут быть сформулированы следующим образом:<br />
1) трубка должна иметь необходимую длину и строго постоянный<br />
по всей длине диаметр;<br />
2) внутренняя поверхность капиллярной трубки должна быть<br />
однородной, чтобы могла образоваться равномерная пленка<br />
жидкой фазы;<br />
3) материал стенок трубки должен быть достаточно инертным,<br />
чтобы исключить возможность протекания химических<br />
реакций между материалом трубки и неподвижной фазой или<br />
разделяемыми веществами;<br />
4) адсорбционная способность материала трубки должна<br />
быть невелика во избежание резкого искажения формы пиков<br />
разделяемых веществ;<br />
5) трубка должна иметь достаточную механическую прочность.<br />
В практике капиллярной газовой хроматографии применяют<br />
трубки, выполненные из различных металлов, пластических масс<br />
и стекла. Ни один из этих материалов не удовлетворяет в полной<br />
мере перечисленным выше требованиям. Однако в процессе развития<br />
и совершенствования данного метода были выработаны<br />
многочисленные практические приемы, позволяющие преодолеть<br />
недостатки каждого из названных материалов. Наиболее<br />
часто для изготовления металлических капиллярных трубок при-<br />
115
Рис. 20. Приспособление для изготовления<br />
медных капилляров<br />
/ - волочильная доска; 2 - подающий<br />
барабан; 3 - тянущий барабан; 4 -<br />
основание<br />
меняют медь и ее сплавы и нержавеющую сталь. Капилляры из<br />
чистой меди и таких ее сплавов, как латунь и томпак, могут быть<br />
приготовлены непосредственно в лаборатории при наличии необходимых<br />
инструментов - волочильных досок. Такой инструмент<br />
представляет собой пластинку из закаленной стали толщиной<br />
4-5 мм и размером примерно 10x10 см 2 . В пластинке имеется<br />
ряд отверстий диаметром от 3 до 0,5 мм, причем диаметр каждого<br />
следующего отверстия на 0,1-0,05 мм меньше диаметра предыдущего.<br />
Внутренние поверхности отверстий тщательно отполированы<br />
и часто имеют незначительную конусность. Исходную<br />
заготовку - медную или латунную трубку длиной 2-3 м и диаметром<br />
около 3 мм - подвергают отжигу и последовательно протягивают<br />
через постепенно уменьшающиеся отверстия волочильной<br />
доски. Обычно протяжку осуществляют с помощью простого<br />
приспособления, показанного на рис. 20. После протяжки через<br />
каждые три-четыре отверстия волочильной доски капилляр<br />
промывают бензолом или эфиром с помощью приспособления,<br />
описанного ниже, удаляют остатки растворителя продувкой воздуха<br />
или иного газа и отжигают при температуре 300 0 C для ликвидации<br />
жесткости, возникающей при механической обработке<br />
медных сплавов. Во время отжига рекомендуется продувать через<br />
капилляр сухой инертный газ [2].<br />
После отжига процесс волочения продолжают до получения<br />
капиллярной трубки желаемых размеров. Аналогичным путем<br />
могут быть изготовлены капилляры из алюминия.<br />
Хотя в настоящее время исследователю в лаборатории редко<br />
приходится готовить самостоятельно длинные металлические капиллярные<br />
трубки, общее представление о технологии этого<br />
процесса может оказаться полезным.<br />
Обычно медные капилляры имеют внутренний диаметр 0,1-<br />
0,5 мм при толщине стенок 0,3-0,5 мм. Колонки из меди и ее сплавов<br />
доступны, обладают достаточной механической прочностью,<br />
116<br />
легко сочетаются с выполненной из металла газохроматографической<br />
аппаратурой. Высокая теплопроводность меди позволяет<br />
свести к минимуму температурные градиенты как при изотермических<br />
условиях, так и при работе с программированием температуры.<br />
Описаны многочисленные примеры высокоэффективного<br />
разделения, выполненные с помощью таких колонок (см., например,<br />
[5-10]). Это показывает, что медь и ее сплавы могут быть достаточно<br />
равномерно покрыты пленкой подвижной фазы, что<br />
обеспечивает высокую эффективность получаемых колонок. Химическая<br />
инертность меди в большинстве случаев, по-видимому,<br />
является достаточной. Однако иногда наблюдается активное химическое<br />
или адсорбционное взаимодействие медных материалов<br />
и разделяемых веществ, достаточно активных в химическом отношении<br />
или способных к образованию комплексов с медью (алкилгалогениды,<br />
амины и др.). Кайзер [2] сообщал о разложении циклогексанона<br />
в медном капилляре при 180 0 C, что, однако, не подтверждается<br />
наблюдениями других авторов с сотр. [10]. Дести и<br />
сотр. [11] указывают на быстрое разложение Апиезона L при<br />
200 0 C, если в содержащую его медную колонку случайно попадает<br />
воздух. Недостатком медных капилляров также является быстрая<br />
и интенсивная коррозия их внешней поверхности при температурах,<br />
превышающих 120-140 0 C. Продувка термостата хроматографа<br />
инертным газом или наружное покрытие капилляра термостойкими<br />
защитными материалами позволяют предотвратить<br />
этот нежелательный процесс.<br />
Широко используются трубки из нержавеющей стали. Их высокая<br />
механическая прочность облегчает решение целого ряда<br />
аппаратурно-конструктивных вопросов, однако исключает возможность<br />
изготовления таких капилляров в лаборатории. Под<br />
названием "нержавеющая сталь" обычно понимают аустенитовые<br />
стали, содержащие до 0,08% углерода, 16-19% хрома,<br />
9-14% никеля, до 1% кремния, 2% марганца и следы серы и фосфора.<br />
Используют также медно-никелевые сплавы, содержащие<br />
29-32% никеля, 0,4-0,7% железа, до 1% цинка, до 1% олова и<br />
0,05% свинца [1]. По внешнему виду оба типа материалов сходны<br />
между собой, однако первые являются более твердыми и жесткими.<br />
Толщина стенок трубок колеблется от 0,12-0,15 до 0,5 мм.<br />
В настоящее время могут быть изготовлены трубки из нержавеющей<br />
стали длиной до 500-600 м и более. Они легко моются, относительно<br />
легко могут быть покрыты пленкой жидкой фазы и<br />
надежно служат в течение длительного времени даже при высоких<br />
рабочих температурах.<br />
Капиллярные трубки могут быть изготовлены из алюминия.<br />
В этом случае их можно получать непосредственно в лаборато-<br />
117
рии так же, как и медные. Алюминиевые капилляры менее распространены.<br />
С одной стороны, на их внутренней поверхности относительно<br />
легко образуется равномерная и устойчивая пленка<br />
жидкой фазы, а с другой стороны, эта поверхность имеет довольно<br />
значительную остаточную адсорбционную активность, связанную<br />
с присутствием на ней пленки оксида алюминия [12, 13]. Описано<br />
применение для капиллярной хроматографии трубок из серебра,<br />
золота и никеля [11,14]. К сожалению, малая доступность капиллярных<br />
трубок из никеля и высокая стоимость серебряных и<br />
золотых капилляров ограничивают применение этих материалов.<br />
Уже с самого зарождения капиллярной хроматографии для<br />
изготовления капиллярных колонок были использованы пластмассовые<br />
трубки. Первые опыты Голея были проведены с применением<br />
трубок из пластмассы "Тайгон" - прозрачного поливинилацетатного<br />
пластика [15]. Более успешным было применение<br />
трубок из найлона [16, 17] и аналогичных полиамидных пластиков<br />
- перлона и дедерона [18]. Пластмассовые капилляры могут<br />
иметь неограниченную длину. Они удобны в работе, легко смачиваются<br />
многими жидкими фазами, полупрозрачны, что облегчает<br />
наблюдение и контроль за образованием пленки неподвижной<br />
фазы.<br />
Недостатками пластмассовых капилляров являются их недостаточная<br />
термическая устойчивость и малая механическая прочность.<br />
В толще полимерных материалов могут задерживаться<br />
следы мономера и низкомолекулярных примесей, что приводит к<br />
повышению уровня шумов детектора и дрейфу нулевой линии.<br />
Кроме того, многие полярные компоненты анализируемых смесей<br />
(низшие спирты, амины) могут растворяться не только в пленке<br />
жидкой фазы, но и в материале стенок капилляра. При малой<br />
толщине стенок пластмассовые капилляры обладают способностью<br />
пропускать воздух и влагу. Капилляры из полиамидных материалов<br />
могут применяться при температурах до 80 0 C [19]. Попытки<br />
использования более термостойких и инертных в химическом<br />
отношении пластмасс, таких, как политетрафторэтилен, не<br />
привели к успеху, так как эти материалы крайне плохо смачиваются<br />
жидкостями. Тем не менее, тефлоновые капиллярные колонки,<br />
хотя и имеющие ограниченную эффективность, были использованы<br />
для разделения агрессивных неорганических газов -<br />
фтористого водорода, шестифтористого урана, оксидов хлора<br />
и др. [20]. Позже были разработаны методы химической модификации<br />
внутренней поверхности фторопластовых капилляров, позволившие<br />
получать высокоэффективные капиллярные колонки<br />
[21]. На таких колонках с неподвижными фазами SE-52, сквалан,<br />
карбовакс-1540 было проведено успешное разделение углеводо-<br />
118<br />
родов и спиртов при температурах 40-85 0 C и выше. Предпринимались<br />
попытки модифицировать внутреннюю поверхность пластмассовых<br />
капилляров путем нанесения пленки лака или действием<br />
других химических агентов [3]. В настоящее время пластмассовые<br />
капилляры применяются реже, чем они того заслуживают.<br />
По-видимому, область их применения будет расширяться.<br />
Важным материалом для изготовления капиллярных колонок<br />
являются стекло и плавленый кварц. В последнее время стеклянные<br />
и кварцевые капиллярные колонки приобрели особое значение,<br />
в первую очередь для решения аналитических задач, связанных<br />
с медико-биологическими проблемами. Особые качества стекла<br />
и кварца в этой области имеют настолько важное значение,<br />
что вопросы изготовления стеклянных и кварцевых капилляров и<br />
нанесения жидкой фазы на их внутреннюю поверхность целесообразно<br />
обсудить отдельно, что сделано в следующей главе.<br />
4.2. ПОДГОТОВКА КАПИЛЛЯРНЫХ ТРУБОК<br />
ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ НЕПОДВИЖНОЙ ФАЗЫ<br />
НА ИХ ВНУТРЕННЮЮ ПОВЕРХНОСТЬ<br />
Для того, чтобы достичь высокой разделяющей способности<br />
колонок, на внутренние стенки капиллярной трубки должна быть<br />
нанесена однородная равномерная пленка неподвижной фазы.<br />
При малой толщине такой пленки, распределенной на достаточно<br />
большой поверхности, достигается интенсивный массообмен<br />
между подвижной и неподвижной фазами, что способствует быстрому<br />
установлению равновесия между ними.<br />
Такие колонки, в которых роль твердого носителя играет непосредственно<br />
материал стенки капиллярной трубки и которые,<br />
следовательно, приближаются к теоретической модели, рассмотренной<br />
в гл. 3, будут далее называться обычными капиллярными<br />
колонками, или, короче, капиллярными колонками. Если диаметр<br />
капиллярных колонок близок к 1 мм или выше этого значения,<br />
то речь будет идти о макрокапиллярных колонках. В том<br />
случае, если жидкая фаза удерживается не гладкими стенками<br />
капилляра, а промежуточным пористым слоем, предварительно<br />
нанесенным на стенки колонки или заранее сформированным из<br />
материала стенок, то колонки будут называться колонками с<br />
покрытыми твердым носителем стенками. В литературе такие<br />
колонки обозначают, соответственно, WCOT и SCOT (по начальным<br />
буквам английских слов Wall Coated Open Tubular и Support<br />
Coated Open Tubular). Если же на стенках колонки сформирован<br />
119
Рис. 21. Угол смачивания (9) капли<br />
жидкости на поверхности твердого<br />
тела<br />
пористый слой из материала самого капилляра, то такую колонку<br />
обозначают PLOT (Porous Layer Open Tubular) [22]. В тех случаях,<br />
когда разделение в колонках происходит за счет действия<br />
адсорбционных сил на поверхности адсорбента, специально нанесенного<br />
на стенки капилляра или предварительно сформированного<br />
из материала стенок, то получаются адсорбционные капиллярные<br />
колонки.<br />
При нанесении жидких фаз на стенки капиллярных трубок<br />
часто встречаются серьезные затруднения, связанные с образованием<br />
недостаточно равномерной пленки жидкой фазы, либо с<br />
разрушением такой пленки с одновременным появлением в капилляре<br />
мелких капель жидкости. Одной из основных причин<br />
таких затруднений является недостаточно высокая смачивающая<br />
способность многих широко распространенных неподвижных<br />
фаз. Равномерное смачивание внутренней поверхности капиллярных<br />
трубок является лишь частным случаем проблем, касающихся<br />
смачивания поверхности твердого тела жидкостью.<br />
Вопросы взаимодействия жидкости и поверхности твердых<br />
тел находятся в центре внимания коллоидной химии, химии поверхностно-активных<br />
веществ и ряда других дисциплин, таких,<br />
как технология флотационного обогащения руд, технология текстильного<br />
производства, полиграфия и т.п. Современные представления<br />
о механизме смачивания [23-27], хотя и не исчерпывают<br />
всех возникающих вопросов, тем не менее, дают возможность<br />
избежать чисто эмпирического подхода к этой проблеме.<br />
При помещении капли смачивающей жидкости на чистую поверхность<br />
происходит постепенное увеличение размеров этой капли<br />
до определенного предела, характеризующегося величиной<br />
угла смачивания 9 (рис. 21), который может быть измерен экспериментально.<br />
Краевой угол связан с величинами поверхностного<br />
натяжения на трех межфазных поверхностях уравнением Юнга<br />
[27]<br />
где а н „ о~ ф а /ч - поверхностное натяжение на границах твердое тело<br />
- газ, твердое тело - жидкость, жидкость - газ, соответственно.<br />
Угол смачивания равен нулю, когда капля жидкости растекается<br />
сразу по всей поверхности, образуя равномерную пленку.<br />
120<br />
При заданных величинах a sg и а ф определяемых природой поверхности<br />
и характером смачивающей жидкости, угол смачивания<br />
будет тем меньше, чем ниже поверхностное натяжение жидкости<br />
о" / на границе с газовой фазой:<br />
cos9= 0^~ g ' ; . (4-2)<br />
Это показывает, что процедура смачивания будет облегчена<br />
при снижении поверхностного натяжения смачивающей жидкости.<br />
Помимо величины угла смачивания, в качестве количественных<br />
характеристик процесса смачивания, применяют такие параметры,<br />
как коэффициент расплывания [28], критическое поверхностное<br />
натяжение [24] и работа адгезии [29]. Явление смачивания<br />
обусловлено действием дисперсионных сил между поверхностными<br />
атомами твердого тела и жидкости. Поверхностное натяжение<br />
на границе твердого тела с газом чаще всего больше, чем<br />
на границе с жидкими органическими веществами, поэтому числитель<br />
в формуле (4-2) обычно является положительной величиной,<br />
так что на абсолютно чистой поверхности любая органическая<br />
жидкость проявляла бы стремление к растеканию. Это естественно,<br />
т.к., за малыми исключениями, свободная энергия поверхности<br />
жидкости меньше, чем у твердого тела, поэтому покрытие<br />
твердой поверхности жидкой пленкой влечет за собой<br />
снижение свободной энергии всей системы в целом. При наличии<br />
на поверхности микротрещин, небольших неровностей, складок,<br />
царапин и т.п. смачивание облегчается, за счет того, что на шероховатой<br />
поверхности тонкие пленки жидкости образуются легче<br />
и удерживаются лучше [30].<br />
В действительности всегда имеется ряд факторов, которые<br />
могут оказывать отрицательное влияние на процесс смачивания и<br />
приводят к тому, что вместо сплошной пленки поверхность оказывается<br />
покрытой отдельными мелкими капельками жидкости.<br />
В пленке жидкости на поверхности твердого носителя непосредственный<br />
контакт между жидкой и твердой фазами осуществляется<br />
через один монослой граничных молекул. Молекулы<br />
жидкости оказывают весьма малое влияние на процесс смачивания<br />
уже на расстоянии нескольких ангстрем от поверхности. Таким<br />
образом, в процессе образования связей между жидкой пленкой<br />
и твердой поверхностью принимает участие лишь небольшая<br />
доля всех частиц жидкости. Поэтому даже незначительные примеси<br />
в жидкой фазе или загрязнения твердой поверхности могут<br />
оказать достаточно сильное влияние на процесс смачивания, качество<br />
поверхности и характер образующейся пленки. В связи с<br />
121
этим необходимо самым тщательным образом заботиться об<br />
очистке смачиваемой поверхности и о возможно большей чистоте<br />
препаратов неподвижных жидких фаз, наносимых на капиллярные<br />
колонки. Важными факторами, определяющими качество<br />
смачивания, являются наличие на поверхности твердого тела<br />
пленки адсорбированных газов и влаги, а также присутствие следов<br />
воды в самой жидкой фазе или в применяемом растворителе.<br />
Влияние перечисленных факторов приводит к тому, что достаточно<br />
четкие корреляции между углом смачивания и качеством<br />
покрытия в капиллярных колонках проследить не удается [31].<br />
По-видимому, предварительно можно утверждать, что хорошему<br />
распределению жидкости на стенках капиллярных колонок<br />
должно способствовать химическое сродство материала стенок и<br />
наносимой на них неподвижной фазы. Это требует в ряде случаев<br />
специальной обработки поверхности для придания ей необходимых<br />
свойств или покрытия ее тонкими слоями различных органических<br />
или неорганических материалов с более высокой способностью<br />
к смачиванию. Наиболее общей моделью такого слоя<br />
является монослой органических молекул, состоящих, например,<br />
из полярной части, активно реагирующей с материалом стенки, и<br />
второй части, обладающей определенным сродством к органической<br />
жидкой фазе. Примерами таких систем являются поверхностно-активные<br />
вещества, имеющие группы анионного характера<br />
на конце углеродной цепи, содержащей 16-20 атомов углерода.<br />
При нанесении на металлические поверхности все молекулы такого<br />
вещества ориентируются так, что их полярные фрагменты<br />
находятся вблизи металлической поверхности, с которой они связываются<br />
химическими, электростатическими или дисперсионными<br />
силами. Неполярный фрагмент молекулы активно взаимодействует<br />
с частицами жидкой фазы, внедряясь в ее толщу и<br />
обеспечивая таким образом более надежное сцепление поверхности<br />
и смачивающей ее жидкости.<br />
Адсорбционные свойства внутренней поверхности капилляров<br />
из нержавеющей стали были подробно изучены в работах<br />
[32-34], в которых были также даны рекомендации по технике<br />
дезактивации поверхности и приготовлению высокоэффективных<br />
колонок.<br />
При работе с металлическими капиллярными колонками<br />
первым этапом подготовки поверхности является ее очистка от<br />
масел и других загрязнений, обусловленных требованиями технологии<br />
изготовления. Количество таких примесей велико и в ряде<br />
случаев соответствует количеству наносимой затем жидкой фазы<br />
или даже превосходит его. Так, новая медная капиллярная колонка<br />
длиной 60 м и диаметром 0,5 мм содержала 26,5 мг загряз-<br />
122<br />
няющих веществ (в основном полиизобутилена) [32], что соответствует<br />
наличию однородной пленки жидкой фазы толщиной<br />
0,32 мкм.<br />
Обычно очистка капиллярной трубки осуществляется пропусканием<br />
через нее под действием повышенного давления определенного<br />
количества органических растворителей, таких как хлористый<br />
метилен, хлороформ, ацетон, метанол, гексан и диэтиловый<br />
эфир. В ряде случаев промывку осуществляют, многократно<br />
пропуская через капилляр несколько растворителей в определенной<br />
последовательности. Рекомендована, например, следующая<br />
последовательность растворителей: пентан, хлористый метилен,<br />
ацетон, диэтиловый эфир, растворитель, применяемый при нанесении<br />
жидкой фазы [35]. В работе [32] рекомендуется выполнять<br />
двухкратную промывку капилляров из нержавеющей стали растворителями<br />
в следующей последовательности: пентан, бензол,<br />
хлороформ, бензол, пентан, хлороформ, ацетон, дистиллированная<br />
вода, ацетон, вода, концентрированный аммиак, вода, ацетон,<br />
хлороформ, пентан. Операция нанесения неподвижной жидкой<br />
фазы - сквалана осуществляется путем пропускания через капилляр<br />
его раствора в пентане с последующим медленным нагреванием<br />
колонки до 100°С. В лаборатории автора при подготовке<br />
металлических капиллярных колонок хорошо зарекомендовала<br />
себя следующая последовательность операций: двух-трехкратная<br />
промывка капилляра порциями по 10 мл бензола, высушивание<br />
пропусканием сухого азота в течение 1 часа, промывка 1%-ным<br />
водным раствором детергента (ОП-7, "Новость", "Астра" и т.п.),<br />
трехкратная промывка дистиллированной водой, затем метанолом<br />
или этанолом, ацетоном, этилацетатом, хлороформом, бензолом,<br />
гексаном и далее растворителем, который будет использован<br />
для нанесения жидкой фазы, чаще всего изопентаном или<br />
хлористым метиленом. После промывки раствором детергента<br />
первые порции воды и спирта пропускаются без промежуточного<br />
высушивания капилляра. После каждой следующей промывки<br />
капилляр сушится 1 час в токе сухого азота или аргона. Все промывные<br />
растворы и растворители берутся порциями по 10 мл,<br />
причем скорость пропускания через капилляр устанавливается<br />
такой, чтобы одна порция проходила через колонку за 2,5-3 часа.<br />
После промывки капилляр тщательно высушивают пропусканием<br />
сухого инертного газа в течение 2-3 час. Ряд полимерных<br />
пленкообразующих материалов для покрытия внутренней поверхности<br />
металлических капилляров были изучены в работах<br />
автора (совместно с Я.Л. Хромченко) [36-38]. Было показано,<br />
что наиболее инертные и эффективные капиллярные колонки<br />
могут быть получены при нанесении на внутреннюю поверх-<br />
123
ность капилляров тонких пленок из эпоксидных смол, растворимого<br />
политрифторхлорэтилена и, так называемого, кардового<br />
полимера [38-39].<br />
Адсорбция на поверхности капилляров может весьма заметно<br />
влиять на параметры удерживания различных веществ, разделяемых<br />
на стеклянных или кварцевых и металлических капиллярных<br />
колонках. Сояк и соавт. [40] сообщили о значительном влиянии адсорбции<br />
на воспроизводимость индексов удерживания алифатических<br />
и ароматических углеводородов (пентадекана, бензола, толуола,<br />
ксилолов и др.) даже при использовании столь полярной неподвижной<br />
фазы, как полиэтиленгликоль карбовакс 20М.<br />
Адсорбционная активность поверхности стеклянных и кварцевых<br />
капилляров и каталитическое действие нагретых до высокой<br />
температуры элементов аппаратуры могут вызывать искажение<br />
формы хроматографических пиков, причем в ряде случаев<br />
бывает затруднительно отличать под действием какого именно<br />
из указанных факторов возникают наблюдаемые искажения.<br />
Для того, чтобы различить влияние этих двух факторов предложено<br />
[41] использовать то обстоятельство, что адсорбционные<br />
явления с ростом температуры уменьшаются, а каталитические<br />
и термические эффекты, наоборот, проявляются во все более<br />
сильной степени. В работе [41] такие различия показаны на примере<br />
н-октадеканола и триметилсилилового эфира октадекановой<br />
(стеариновой) кислоты, разделяемых при температурах<br />
160 0 C и 18O 0 C на капиллярной колонке с полисилоксаном OV-73<br />
в качестве неподвижной фазы.<br />
4.3. НАНЕСЕНИЕ НЕПОДВИЖНОЙ<br />
ЖИДКОЙ ФАЗЫ ДИНАМИЧЕСКИМ СПОСОБОМ<br />
В связи с тем, что эффективность и сорбционная емкость капиллярной<br />
колонки зависят в первую очередь от равномерности<br />
и толщины пленки жидкой неподвижной фазы, процедура ее нанесения<br />
на внутренние стенки капиллярной трубки имеет огромное<br />
значение. В ходе развития метода капиллярной хроматографии<br />
были выработаны различные приемы, с большей или меньшей<br />
вероятностью позволяющие получить высокое качество покрытия.<br />
Недостаточно полное знание фундаментальных процессов,<br />
лежащих в основе процесса смачивания, особенно при движении<br />
слоя жидкости, приводит к тому, что опыт многих исследователей<br />
обобщается лишь в форме ряда эмпирических и полуэмпирических<br />
правил.<br />
124<br />
В настоящее время для нанесения пленки жидкой фазы на<br />
внутреннюю поверхность капиллярных трубок применяются два<br />
основных способа - динамический и статический. В случае первого<br />
внутренняя поверхность капилляра смачивается при пропускании<br />
через капилляр под действием повышенного давления какого-либо<br />
газа определенного объема раствора жидкой фазы в подходящем<br />
растворителе. Движущаяся по капилляру пробка раствора<br />
оставляет позади себя жидкую пленку. Затем через капилляр<br />
пропускают инертный газ, в результате чего из образовавшейся<br />
пленки испаряется растворитель и на стенках капилляра<br />
образуется тонкая пленка жидкой фазы. Динамический способ<br />
нанесения жидкой фазы применял в своих первых опытах Голей,<br />
однако описан он был впервые в работе, авторами которой были<br />
Дийкстра и де-Гоэй [42].<br />
Второй способ - статический - заключается в том, что капилляр<br />
заполняется раствором жидкой фазы и растворитель испаряется<br />
в условиях повышенной температуры или пониженного давления.<br />
Растворитель, применяемый для приготовления капиллярных<br />
колонок, должен отвечать ряду требований, наиболее важные из<br />
которых следующие:<br />
а) растворитель должен иметь возможно более низкое поверхностное<br />
натяжение и низкую вязкость;<br />
б) он должен смешиваться с применяемой жидкой фазой во<br />
всех отношениях;<br />
в) растворитель должен иметь не слишком высокую температуру<br />
кипения и не должен содержать высококипящих примесей.<br />
Так как вязкость и поверхностное натяжение жидкостей<br />
уменьшаются с повышением температуры, полезно при нанесении<br />
жидкой фазы динамическим способом поддерживать температуру<br />
колонки на 1-2°С ниже температуры кипения растворителя.<br />
При использовании такого растворителя, как изопентан,<br />
имеющего температуру кипения 24,7°С, можно соблюсти это условие,<br />
проводя все операции при комнатной температуре. Взаимосвязь<br />
толщины пленки с условиями ее образования при динамическом<br />
способе нанесения была изучена Кайзером [2, 12] и позже<br />
Новотным с сотр. [43-45]. Было установлено, что толщина пленки<br />
жидкой неподвижной фазы d f зависит от концентрации жидкой<br />
фазы в растворе с, скорости движения жидкости в капилляре<br />
«. вязкости Г) и поверхностного натяжения раствора a !g , следующим<br />
образом:<br />
й * = Ш Г г ^ ^ -<br />
125<br />
(4 " 3)
Из уравнения (4-3) следует, что толщина пленки в узких капиллярах<br />
оказывается существенно меньше, чем в более широких.<br />
В ряде исследований [46-48] показано, что уравнение (4-3)<br />
справедливо для большинства применяемых жидких фаз и растворителей.<br />
Отклонения могут быть только при весьма значительной<br />
вязкости растворов. В обычных условиях при нанесении<br />
жидкой фазы стремятся к тому, чтобы толщина пленки жидкой<br />
фазы находилась в пределах 0,1-1,5 мкм [45].<br />
Равномерность образующейся пленки зависит от целого ряда<br />
трудноконтролируемых факторов. Даже при самом тщательном<br />
проведении всех операций иногда равномерная пленка раствора<br />
внезапно превращается в отдельные мелкие линзообразные капли,<br />
что можно легко наблюдать при использовании прозрачных<br />
капилляров из стекла или пластиков. Часто происходит образование<br />
на стенках капилляра волнообразных возмущений, постепенно<br />
увеличивающихся и внезапно превращающихся в двояковогнутые<br />
линзы жидкости. Такие превращения, показанные схематически<br />
на рис. 22, изучались теоретически [48, 49], однако эффективных<br />
средств для их предотвращения до настоящего времени<br />
не найдено.<br />
Скорость продвижения пробки жидкости через капилляр<br />
оказывает большое влияние на толщину образующейся пленки<br />
раствора и последующей пленки жидкой фазы. Последняя, в<br />
свою очередь, определяет эффективность будущей колонки.<br />
Очень толстые пленки оказываются неустойчивыми и легко разрушаются<br />
с образованием капель или даже линз жидкости, перекрывающих<br />
просвет капилляра. Именно это обстоятельство делает<br />
невозможным нанесение равномерной пленки путем продавливания<br />
через капилляр чистой жидкой фазы. Если жидкая фаза<br />
имеет высокую вязкость, то закупорка просвета капилляра<br />
пробкой жидкой фазы неминуемо выводит колонку из строя, так<br />
как в этом случае капилляр невозможно продуть газом даже при<br />
перепаде давлений в 100-150 атм.<br />
Многие авторы, изучавшие технологию приготовления капиллярных<br />
колонок динамическим способом, отмечают существование<br />
области оптимальных скоростей движения жидкости в<br />
капилляре [2, 12,48, 50]. Это можно наблюдать непосредственно,<br />
если капилляр из стекла или из пластика прозрачен, а жидкая фаза<br />
окрашена. При скорости движения жидкости, превышающей<br />
60 мм/сек, устойчивая пленка жидкой фазы, видимо, вообще не<br />
образуется и эффективность получающихся колонок оказывается<br />
весьма низкой [2, 11, 51, 52]. Прямые измерения зависимости<br />
толщины пленки от скорости продвижения жидкости в капилляре,<br />
проведенные Кайзером [2], показали, что для всех изученных<br />
126<br />
Рис. 22. Последовательные стадии<br />
разрушения идеальной пленки<br />
(я) жидкой фазы с образованием<br />
капель (г), закрывающих просвет<br />
капилляра<br />
df, мкм<br />
0 20 40 60 U 1 , мм/с<br />
Рис. 23. Зависимость толщины<br />
пленки от скорости нанесения неподвижной<br />
фазы и на стенки капилляра<br />
диаметром 0,5 мм<br />
Растворители: / - хлороформ; 2 -<br />
бензол; 3 - гексан<br />
40 "/, мм/с<br />
Рис. 24. Зависимость удельной<br />
эффективности колонки (n/L) от<br />
скорости (и) нанесения жидкой<br />
фазы из 10%-ного раствора полисилоксана<br />
SF-96 в толуоле<br />
растворителей скорость около 2-4 мм/сек соответствует максимальному<br />
количеству нанесенной жидкой фазы (рис. 23).<br />
Именно этот диапазон скоростей рекомендуют Скотт и Xaзелдин<br />
[17] и Штруппе [53], получившие хорошие результаты с<br />
металлическими, стеклянными и полиамидными (дедероновыми)<br />
колонками. Сопоставляя эти данные с результатами Новотного и<br />
Златкиса [54], изучавших зависимость эффективности капиллярных<br />
колонок диаметром 0,2 мм от скорости движения 10%-ного<br />
раствора полисилоксана SF-96 в толуоле (рис. 24), можно заключить,<br />
что наиболее высокая эффективность достигается при скоростях<br />
20-30 мм/сек, что соответствует толщине пленки около<br />
127
I ^ —<br />
_ji 2<br />
+ P<br />
f4 T^<br />
-- -<br />
—j-<br />
0 = 15 мм<br />
Рис. 25. Микроэлектролизер для<br />
нанесения неподвижной фазы<br />
/ - капиллярная колонка; 2 -<br />
электролизер; 3 - охлаждающая баня<br />
со льдом<br />
1-<br />
Рис. 26. Схема нанесения жидкой<br />
фазы динамическим способом<br />
/ - подача азота под давлением;<br />
2 - емкость для раствора жидкой фазы;<br />
3 - капиллярная колонка<br />
Рис. 27. Устройство для продавливания<br />
раствора и промывной<br />
жидкости через капилляры<br />
/ - капиллярная колонка; 2 - накидная<br />
гайка; 3 - резиновое уплотнение;<br />
4 - корпус, 5 - прокладка;<br />
6 - стакан; 7 - гайка для соединения с<br />
редуктором; 8 - сосуд для раствора<br />
неподвижной фазы или промывной<br />
жидкости; 9 - раствор; 10 - вороток<br />
1 мкм. Такие линейные скорости соответствуют весьма малым<br />
объемным скоростям, лежащим в зависимости от диаметра капилляра<br />
в диапазоне 0,2-2 мл/мин. В этой области поддержание<br />
постоянного расхода газа сопряжено с определенными трудностями.<br />
Поэтому обычно регулируют давление газа, применяя<br />
различные вентили, пневмосопротивления и т.п., обеспечивающие<br />
постоянство скорости его подачи. Одной из наиболее удачных<br />
конструкций для этой цели является предложенный Кайзером<br />
[2] микроэлектролизер (рис. 25).<br />
128<br />
При использовании динамического способа нанесения жидкой<br />
фазы объем раствора, пропускаемого через капиллярную<br />
трубку, может превышать объем капилляра или быть меньше<br />
его. При первом варианте обычно используют прибор, схематически<br />
изображенный на рис. 26. Вместимость резервуара<br />
для раствора жидкой фазы составляет 3-15 мл. Различные<br />
конструкции камеры, в которую помещают сосуд с раствором,<br />
в большинстве случаев аналогичны представленной на рис. 27.<br />
Тщательно профильтрованный раствор помещают в резервуар,<br />
поднимают давление газа и нагнетают раствор в капиллярную<br />
трубку. Если предполагается пропустить всю взятую порцию<br />
раствора, то, установив желаемую скорость истечения, завершают<br />
процесс; если предпочитают пропустить количество<br />
раствора, точно соответствующее внутреннему объему капилляра,<br />
то после появления первых капель раствора на выходе<br />
снимают давление, открывают резервуар и удаляют избыток<br />
раствора. Затем вновь герметизируют резервуар и устанавливают<br />
в нем давление, соответствующее желаемой скорости<br />
движения жидкости.<br />
Для того чтобы по мере уменьшения длины заполненного<br />
раствором участка капилляра скорость перемещения жидкости<br />
в нем не слишком увеличивалась, постепенно снижают давление<br />
на входе или, что легче осуществимо практически, к капилляру<br />
на выходе присоединяют вспомогательный отрезок<br />
трубки того же диаметра, имеющий в 3-5 раз меньшую длину.<br />
В большинстве случаев при такой технике нанесения жидкой<br />
фазы применяют раствор с концентрацией 10% или в случае<br />
высокомолекулярных полимеров - 3-5%. Необходимое избыточное<br />
давление составляет обычно несколько десятых долей<br />
атмосферы.<br />
При таком варианте динамического способа нанесения<br />
жидкой фазы оказывается затруднительным точно оценить<br />
количество жидкой фазы в колонке. Можно было бы определить<br />
количество жидкой фазы в колонке по разности масс колонки<br />
до и после нанесения. К сожалению, масса жидкой фазы<br />
оказывается на несколько порядков величины меньше массы<br />
капиллярной трубки, что делает такой метод недостаточно<br />
точным.<br />
Можно также тщательно измерить объем раствора, прошедшего<br />
через колонку. Разность взятого и оставшегося<br />
объемов этого раствора определяет его объем в колонке.<br />
Зная концентрацию раствора, можно вычислить и количество<br />
жидкой фазы в колонке. Если это количество известно,<br />
то можно рассчитать эффективную толщину жидкой плен-<br />
S- Руденко Б.A. T. 1 1 29
ки df и отношение объемов газовой и жидкой фаз в колонке<br />
- [3:<br />
d f = m, I Kd 0 Lp 1 (4-4)<br />
$ = d c /4d f , (4_ 5)<br />
где d c - диаметр капилляра; L - его длина; р, - плотность жидкой<br />
фазы. Если для данной жидкой фазы известен коэффициент распределения<br />
К какого-либо вещества, то можно определить для<br />
данной колонки экспериментальным путем величину отношения<br />
распределения к и найти значение (3,<br />
(3 = К/к. (4-6)<br />
После этого нетрудно найти d f и In 1 по формулам, которые<br />
можно вывести из (4-4) и (4-5) путем простейших преобразований.<br />
Если хотя бы для одной колонки известны значения P 1 и Ar 1<br />
для какого-либо одного вещества, то для другой колонки с той<br />
же жидкой фазой величина P 2 может быть найдена по величине<br />
к ъ экспериментально определяемой для того же вещества при<br />
той же температуре. Из соотношения (3-6) следует:<br />
откуда<br />
P 1 *,= P 2^2. (4-7)<br />
p 2 =P,V*2- (4-8)<br />
Несколько меньшую точность регулирования давления требует<br />
такой вариант динамического способа, в котором через капилляр<br />
пропускают объем раствора жидкой фазы, меньший объема<br />
капиллярной трубки - способ короткой жидкой пробки.<br />
Обычно объем раствора таков, что он образует пробку жидкости<br />
длиной в несколько метров. В этом случае изменение сопротивления<br />
движению этой пробки в процессе нанесения жидкой фазы<br />
невелико, и можно поддерживать на входе в колонку постоянное<br />
незначительное давление. Часто необходимый перепад давлений<br />
можно обеспечить с помощью напорных склянок с разницей высот<br />
вытесняющей жидкости, эквивалентной 0,5-2 м водного<br />
столба [3].<br />
Скотт и Хазельдин [17] готовили колонки длиной 30 м и диаметром<br />
0,5-1,0 мм, заполняя около 2 м длины раствором жидкой<br />
фазы и проталкивая образующуюся пробку давлением газа со<br />
скоростью 2-5 мм/сек. После пропускания пробки раствора через<br />
капилляр продували инертный газ, медленно увеличивая его<br />
расход до 1 мл/мин. Затем продувку продолжали некоторое время,<br />
чтобы полностью удалить растворитель. Кайзер [2] считает<br />
130<br />
более целесообразным поддерживать примерно в десять раз<br />
большие скорости движения пробки жидкости через капилляр<br />
(20-50 мм/сек). Он предложил эмпирические соотношения для<br />
оценки толщины пленки жидкой фазы d f и необходимого для ее<br />
нанесения объема раствора V sv . При этом предполагается, что<br />
растворителем является гексан, концентрация раствора равна с<br />
(в %), а скорость движения жидкости и,-(см/сек):<br />
d f = (с/1Ш с ) (0,265м, + 0,25)(мкм), (4-9)<br />
V sv = 100 (Kd c LIc) d f = KL (0,265м,+ 0,25), (4-10)<br />
где d c - диаметр капилляра в миллиметрах; L - его длина в<br />
метрах.<br />
Величины V n ,, вычисленные по этим формулам, обычно составляют<br />
~ 5% общего объема колонки. На практике найденный<br />
таким образом объем увеличивают в 1,5-2 раза, так чтобы первоначально<br />
пробка раствора заполняла 7-10% общей длины капилляра.<br />
Однако другие исследователи используют в 3-5 раз<br />
меньшие количества раствора. Так, Штруппе [3] считает достаточным<br />
такое количество раствора, которое соответствует пробке<br />
длиной 1-2 м на 100 м капиллярной трубки.<br />
В связи с тем, что применяемый объем раствора в данном варианте<br />
динамического способа значительно меньше, чем в предыдущем,<br />
возникает возможность более точного определения затраченного<br />
на смачивание количества раствора. Устройство,<br />
предложенное для этой цели Кайзером [2], схематически представлено<br />
на рис. 28. Его основными элементами являются две<br />
градуированные по объему трубки (3 и 5). Исходный раствор вначале<br />
переводят в трубку 3 и как возможно точнее измеряют его<br />
объем V 1 . Затем пропускают раствор через капилляр 4 и при поступлении<br />
избытка раствора в трубку 5 вновь замеряют оставшийся<br />
объем V 2 . По разности этих двух замеров можно оценить<br />
количество жидкой фазы в колонке, толщину пленки жидкой фазы<br />
и коэффициент р. Так,<br />
d f ^K(V 1 - V 2 )Cl 100хLd 0 .<br />
(4-Ц)<br />
Естественно, для этой же цели можно применять и любой из<br />
способов, описанных выше.<br />
Важным фактором, который часто упускают из вида при подготовке<br />
капиллярных колонок динамическим способом, является<br />
необходимость строго горизонтального положения или строго<br />
постоянного наклона капилляра по всей длине. Даже незначительные<br />
изменения наклона существенно меняют скорость движения<br />
пробки жидкой фазы, что заметно ухудшает эффектив-<br />
5* 131
Рис. 28. Устройство для нанесения жидкой фазы динамическим способом<br />
с точным измерением объема пропущенного раствора<br />
/ - вентиль тонкой регулировки; 2 - емкость для раствора жидкой фазы;<br />
3 и 5 - мерные трубки; 4 - капиллярная колонка<br />
Рис. 29. Устройство для нанесения жидкой фазы на поверхность стеклянных<br />
капилляров динамическим способом<br />
/ - осушитель; 2 - вентиль тонкой регулировки; 3 - капиллярная колонка;<br />
4 - цилиндр с миллиметровыми делениями по окружности; 5 - соединительная<br />
трубка; б - буферный капилляр<br />
ность колонок. Удобно расположить капилляр при нанесении<br />
жидкой фазы динамическим методом в виде плотной, виток к<br />
витку, намотки на вертикально стоящем цилиндре диаметром<br />
100-200 мм.<br />
Типичное расположение элементов аппаратуры при нанесении<br />
жидкой фазы динамическим способом показано на<br />
рис. 29 [4]. В этом случае вначале в колонку с помощью шприца<br />
и кусочка фторопластовой трубки вводят раствор жидкой<br />
фазы с концентрацией 1-10%. Количество раствора должно<br />
быть достаточным для образования пробки длиной 1-3 м.<br />
Затем присоединяют газовую коммуникацию и продвигают<br />
пробку давлением газа.<br />
Если капилляр прозрачен, т. е. выполнен из стекла или<br />
пластика, то за продвижением пробки раствора можно следить<br />
непосредственно, контролируя скорость с помощью секундомера.<br />
Для облегчения визуального контроля можно добавить в<br />
раствор небольшое количество подходящего красителя. В случае<br />
металлических капилляров скорость продвижения пробки<br />
раствора контролируют по величине объемной скорости вы-<br />
132<br />
Рис. 30. Микрофотография внутренней поверхности<br />
металлического капилляра диаметром 0,25 мм<br />
тесняемого газа, который можно собирать в миниатюрную<br />
градуированную пробирку.<br />
Следует отметить, что внутренняя поверхность всех металлических<br />
капилляров весьма далека от исходных предпосылок теории<br />
капиллярной хроматографии об идеально гладких трубках. Как показывают<br />
результаты микрофотографических исследований эта<br />
поверхность имеет сильно развитую систему мелких складок, морщин,<br />
трещин и прочих неровностей, величина которых достаточно<br />
велика и может составлять 1-2% от диаметра капилляра (рис. 30)<br />
[10]. Если колонки из трубок с такой поверхностью готовят динамическим<br />
способом, то высокие числа теоретических тарелок можно<br />
получить лишь при очень медленном нанесении жидкой фазы в<br />
течение 3^4 час [55]. Это связано с тем, что при более быстром пропускании<br />
пробки жидкого раствора неподвижной фазы не происхо-<br />
133
дит смачивания поверхности узких и глубоких трещин, остающихся<br />
заполненными газом (как, например, при попытке заполнить<br />
струей воды из водопровода сосуд с узким горлом диаметром<br />
3-5 мм). Это приводит к неравномерному распределению неподвижной<br />
фазы на стенках капилляра и, как следствие, к низкой эффективности<br />
получаемых колонок.<br />
С помощью динамического метода можно наносить на внутреннюю<br />
поверхность капиллярных трубок не только слои неподвижных<br />
жидких фаз, но и слои пористых твердых носителей и адсорбентов<br />
[56]. При этом применяют обработку используемых<br />
растворов ультразвуком и тщательное фильтрование суспензий<br />
наносимых тонкодисперсных материалов (каолина, цеолитов, силикагелей<br />
и других материалов).<br />
Важными практическими преимуществами динамического<br />
способа являются простота применяемой аппаратуры и возможность<br />
нанесения жидкой фазы на стенки колонок, уже имеющих<br />
ту конфигурацию, которая определяется конструкцией применяемого<br />
хроматографа. Почти все необходимые операции несложны,<br />
а затрата времени относительно невелики. Однако при использовании<br />
динамического метода нанесения неподвижных фаз<br />
получение точных данных о толщине образующихся пленок связано<br />
с некоторыми затруднениями.<br />
4.4. НАНЕСЕНИЕ НЕПОДВИЖНЫХ<br />
ЖИДКИХ ФАЗ СТАТИЧЕСКИМ СПОСОБОМ<br />
Статический способ приготовления металлических или<br />
пластиковых капиллярных колонок, применявшийся впервые<br />
Голеем [57], осуществляют следующим образом. Обрабатываемый<br />
капилляр целиком заполняют раствором жидкой фазы,<br />
герметически закрывают один его конец и открытым концом<br />
вперед медленно продвигают внутрь термостата, нагретого<br />
выше температуры кипения растворителя. При этом растворитель<br />
испаряется, оставляя на стенках капиллярной трубки<br />
равномерную пленку жидкой фазы. Для осуществления такого<br />
процесса необходимо специальное приспособление, обеспечивающее<br />
постепенное втягивание капилляра в термостат<br />
(рис. 31). Конец капилляра, закрепленный на подающем барабане,<br />
закрыт. Температура термостата 5 на 20-30° С превышает<br />
температуру кипения растворителя. Необходимость такого<br />
оборудования, а также то, что окончательная форма может<br />
быть придана готовой колонке только после завершения про-<br />
134<br />
Рис. 31. Установка для нанесения<br />
неподвижной фазы на металлические<br />
и пластиковые капилляры<br />
статическим способом<br />
цесса нанесения неподвижной<br />
фазы, затрудняет применение<br />
этого метода на практике.<br />
С другой стороны этот способ<br />
нанесения неподвижной фазы<br />
позволяет точно знать количество жидкой фазы в колонке и<br />
соотношение объемов жидкой и газообразной фаз в ней.<br />
Количество неподвижной фазы в колонке рассчитывается из<br />
ее геометрических размеров и концентрации раствора:<br />
Kd c т С<br />
(4-12)<br />
т, ч = —-L р,.<br />
4 100<br />
Отсюда можно найти толщину пленки неподвижной жидкой<br />
фазы:<br />
(4-13)<br />
f<br />
Kd 0 Lp 1 2 100<br />
Величина (3 не зависит от диаметра капиллярной трубки и вычисляется,<br />
исходя из концентрации раствора:<br />
P = V /V 1 =(IOO-C)Zc. (4-14)<br />
Если диаметр капилляра выражается в миллиметрах, его длина -<br />
в метрах, масса жидкой фазы - в миллиграммах, a d f - в микрометрах,<br />
то формулы (4-12) и (4-13) преобразуются в следующие выражения:<br />
j2r ~ -'i,.-4 (4-15)<br />
т, = 2,5тЦ^р г с/100(мг),<br />
d f =2,5й с с(мкм). (4-16)<br />
В то же время из формулы (4-16) следует, что при заданной<br />
концентрации раствора толщина жидкой пленки будет увеличиваться<br />
пропорционально диаметру капилляра. На практике желательно,<br />
чтобы пленка имела наибольшую толщину, при которой<br />
еще сохраняется ее устойчивость. Это соответствует толщине<br />
пленки около 1 мкм, что определяет концентрацию раствора,<br />
равную 1-2% или менее. Такая концентрация примерно в 5-10<br />
раз меньше, чем концентрация раствора при динамическом спо-<br />
135
собе нанесения жидкой фазы. Это имеет существенное значение<br />
при нанесении полимерных жидких фаз с высокой молекулярной<br />
массой, особенно таких как каучукоподобные полисилоксаны.<br />
Вязкость растворов этих веществ очень быстро растет с их концентрацией,<br />
так что уже 3-5%-ные растворы трудно продавить<br />
через капиллярные трубки с диаметром, меньшим 0,5 мм.<br />
Интересную модификацию статического способа нанесения<br />
жидких фаз предложили Буше и Верцеле [58]. Капиллярную<br />
трубку после заполнения раствором жидкой фазы и герметизации<br />
одного из ее концов присоединяли к вакуум-насосу, что обеспечивало<br />
полное испарение растворителя и формирование пленки<br />
жидкой фазы в течение нескольких суток. Этот вариант статического<br />
метода связан с довольно большой затратой времени.<br />
Однако процедура не требует участия оператора и может обеспечить<br />
приготовление нескольких колонок одновременно. Эти обстоятельства,<br />
а также возможность применения такого способа к<br />
капиллярам, уже имеющим форму, соответствующую конструкции<br />
данного хроматографа, обеспечили этому способу достаточно<br />
широкое распространение. Важным преимуществом этого<br />
способа нанесения неподвижных фаз является возможность приготовления<br />
стеклянных капиллярных колонок, форма которых<br />
не может изменяться в процессе нанесения жидкой фазы [58].<br />
При осуществлении операции нанесения неподвижной фазы<br />
статическим способом особую проблему составляет способ герметизации<br />
свободного конца капиллярной колонки. Предложены<br />
несколько различных способов выполнения этой операции,<br />
среди которых можно указать применение силикатного клея [58],<br />
погружение конца капилляра в расплавленный воск или парафин<br />
[59] и некоторые другие способы [60-62]. По-видимому, избежать<br />
этой операции и получить сходные результаты можно, поместив<br />
несколько заполненных растворами жидких фаз капилляров<br />
в вакуумированный сосуд достаточной вместимости (например,<br />
в достаточно большой эксикатор), с тем, чтобы испарение<br />
растворителя осуществлялось бы одновременно через оба открытых<br />
конца каждого капилляра. Однако такой вариант данного<br />
способа до настоящего времени описан не был.<br />
Очень важное значение при нанесении неподвижных фаз на<br />
стенки капилляров по Буше и Верцеле имеет полное освобождение<br />
применяемого раствора от растворенных в нем газов. Это достигается<br />
предварительным выдерживанием раствора под вакуумом<br />
с остаточным давлением 1-2 мм рт. ст., либо просто путем<br />
медленной отгонки примерно 1/3-1/2 объема растворителя.<br />
В целом, статический способ обеспечивает лучшую воспроизводимость<br />
получаемых капиллярных колонок, так как позво-<br />
136<br />
ляет исключить влияние целого ряда трудно контролируемых<br />
факторов, характерных для динамического способа. Поэтому<br />
статический способ нанесения неподвижной фазы следует считать<br />
в настоящее время более предпочтительным. Детальное<br />
описание хорошо отработанной техники выполнения статического<br />
нанесения неподвижных фаз приведено в работе [63].<br />
4.5. КАПИЛЛЯРНЫЕ КОЛОНКИ СО СТЕНКАМИ,<br />
ПОКРЫТЫМИ ТВЕРДЫМ НОСИТЕЛЕМ<br />
Идея об использовании капиллярных колонок с пористым<br />
слоем на стенках, обладающим резко увеличенной площадью поверхности,<br />
была высказана уже в самых первых работах Голея<br />
[57]. В 1960 г. Гол ей [64] сделал первые попытки реализации этой<br />
идеи. В первых опытах на стенки капиллярной трубки наносили<br />
слой коллоидальной глины, который затем подвергали термической<br />
обработке, после чего наносили жидкую неподвижную фазу<br />
динамическим способом. Позже были описаны также успешные<br />
опыты по нанесению слоев пористых твердых носителей на<br />
стенки капилляров динамическим методом - пропусканием через<br />
капилляры суспензий мелкодисперсных материалов [50, 65].<br />
В последней работе суспензию, приготовленную из 200 мг английского<br />
каолина и смеси 35 мл чеыреххлористого углерода,<br />
15 мл хлороформа и 40 мг неподвижной фазы FFAP, обрабатывали<br />
60 мин на ультразвуковой бане. Через подготовленный капилляр<br />
пропускали две порции по 2 мл приготовленной таким образом<br />
суспензии в двух противоположных направлениях. Затем<br />
колонку промывали два раза порциями хлористого метилена<br />
объемом 10 мл, сушили в токе сухого азота и прогревали 1 час<br />
при 400 0 C при непрерывном продувании сухого азота.<br />
При нанесении слоев графитированной сажи смесь 65 мг Карбопака<br />
А (фирма Супелко, США), 20 мл четыреххлористого углерода,<br />
5 мл хлористого метилена и 7,5 мг FFAP обрабатывали<br />
40 мин на ультразвуковой бане и пропускали через подготовленный<br />
капилляр. После трехкратной промывки порциями по 10 мл<br />
хлористого метилена колонку высушивали в токе азота и наносили<br />
неподвижную фазу по методике, описанной в работе [66]. Для<br />
этой цели колонку заполняли раствором неподвижной фазы в<br />
хлористом метилене, закрывали оба ее конца и выдерживали<br />
48 час при 20° С, после чего удаляли раствор продувкой азотом и<br />
кондиционировали колонку 12 час при выбранной рабочей температуре.<br />
137
В альтернативном варианте метода суспензию графитированнои<br />
сажи в подходящем растворителе обрабатывали ультразвуком<br />
и испаряли растворитель почти досуха. Затем добавляли<br />
неподвижную жидкую фазу, тщательно перемешивали, добавляли<br />
растворитель и смесь пропускали через капилляр под давлением<br />
азота в двух противоположных направлениях примерно за<br />
10 мин.<br />
При использовании в качестве неподвижной фазы Версамида<br />
поступали следующим образом. К 100 мг графитированнои сажи<br />
добавляли 2 мл 0,06 M раствора KOH в метаноле и полученную<br />
суспензию обрабатывали ультразвуком. Далее испаряли растворитель,<br />
прибавляли раствор Версамида (12 мг/мл) в смеси хлороформ-метанол<br />
(1:1) и тщательно перемешивали при продувке<br />
азотом. Затем полученную пасту суспендировали в смеси бутанола<br />
с хлористым метиленом (1:9) и наносили на подготовленный<br />
капилляр как описано выше.<br />
Характеристики микронаполненных и капиллярных колонок<br />
с пористым слоем графитированнои сажи были изучены также в<br />
работе Уэлша, Энгевальда и Поршмана [66].<br />
С применением каолина были приготовлены высокоэффективные<br />
колонки с полисилоксанами SP 2100, SP 2340, SE-54,<br />
FFAP, а также с полиэтиленгликолями Карбовакс 1500 и Карбовакс<br />
2OM. В колонках со стенками, покрытыми графитированнои<br />
сажей, с успехом применяли в качестве неподвижных фаз полисилоксан<br />
SP 2100, Карбовакс 2OM и FFAP. Несколько худшие результаты<br />
были получены при использовании Апиезона L, хотя и<br />
в этом случае эффективность приготовленных колонок была достаточно<br />
высокой.<br />
Для разделения пространственных изомеров метиловых эфиров<br />
непредельных жирных кислот были с успехом использованы<br />
капиллярные колонки с пористым слоем на основе коллоидального<br />
кремнезема Т-40 и с Силаром CS-10 в качестве жидкой фазы<br />
[67]. В этой работе особо отмечается достаточно высокая стабильность<br />
полученных колонок, сохранявших высокую эффективность<br />
в течение нескольких месяцев.<br />
В 1963 г. были опубликованы работы Халаша и Хорвата [58,<br />
69], которые применяли статический способ нанесения пористых<br />
слоев твердых носителей и активных адсорбентов. Эти авторы<br />
впервые применили статический способ не только для нанесения<br />
жидкой фазы на гладкие стенки капиллярных трубок, но и для<br />
формирования на их стенках слоев пористого инертного носителя<br />
[68] или активного адсорбента - графитированнои сажи [69].<br />
Эту операцию проводили следующим образом. Силикатный<br />
твердый носитель Стерхамол измельчали в мельнице и отмучи-<br />
138<br />
ванием в воде выделяли фракцию с размером частиц до 1 мкм.<br />
Воду удаляли кипячением с ксилолом и сухой твердый носитель<br />
суспендировали при энергичном перемешивании в смеси четыреххлористого<br />
углерода и бромистого метилена (1:1). Содержание<br />
твердого носителя в суспензии составляло около 10%. К полученной<br />
суспензии добавляли 2% сквалана и 0,05% поверхностно-активного<br />
вещества Алкатерг T. Полученную смесь нагнетали<br />
в капиллярную трубку длиной 30 м и диаметром 0,5 мм азотом<br />
под давлением 100 атм. После заполнения трубки ее один конец<br />
герметически закрывали, а второй конец медленно вводили в<br />
термостат, нагретый до 100° С. После того, как весь капилляр<br />
был введен в термостат, не прекращая обогрева, открывали закрытый<br />
конец и продували колонку азотом в течение нескольких<br />
часов до полного удаления растворителя. Аналогично была приготовлена<br />
капиллярная колонка длиной 28,5 м со стенками, покрытыми<br />
мелкодисперсным оксидом железа с 10% триэтиленгликоля.<br />
На 1 м длины колонки приходилось 5,5 мг оксида железа<br />
и 0,55 мг триэтиленгликоля, что близко к содержанию жидкой<br />
фазы в обычной капиллярной колонке. Однако вследствие того,<br />
что в данном случае жидкая фаза была распределена на поверхности<br />
твердого носителя, значительно превышающей поверхность<br />
чистого капилляра, эффективная толщина жидкой пленки<br />
была значительно меньше. В результате эффективность колонки<br />
со стенками, покрытыми твердым носителем, была существенно<br />
выше, чем эффективность колонок обычного типа, достигая<br />
4—5 тыс.т.т на 1 м длины (рис. 32).<br />
Аналогично Халаш и Хорват готовили адсорбционные<br />
капиллярные колонки, нанося на внутреннюю поверхность<br />
капиллярных трубок сажу с частицами размером 0,01-1,00 мкм,<br />
графитированную нагреванием при 3000°С. Колонка длиной 15 м<br />
с внутренним диаметром 0,5 мм содержала 11,5 мг графитированнои<br />
сажи и имела полную эффективность, превышающую<br />
10 тыс.т.т. В экспериментах Халаша и Хорвата было показано,<br />
что внутренняя поверхность капилляра диаметром 0,5 мм после<br />
нанесения пористого слоя увеличивалась в 130 раз, что приводило<br />
к снижению [3 до 35,5, в то время как ВЭТТ сохраняла значение,<br />
характерное для исходного капилляра, покрытого пленкой<br />
жидкой фазы толщиной около 0,6 мкм.<br />
Аналогичный способ приготовления колонок использовали<br />
Эттре, Парселл и Норем [1, 70] и другие исследователи [71-73].<br />
В число твердых носителей, применявшихся в этих работах входят<br />
Хромосорб и целит, а в качестве неподвижных фаз применялись<br />
бентон 34, фенильное силиконовое масло DC-550 и полиэтиленгликоль<br />
1500. Образующиеся пористые слои, описанные в<br />
139
JJ<br />
I<br />
I 1<br />
20 30 40 50Время, мин<br />
Рис. 32. Хроматограмма, полученная<br />
на капиллярной колонке<br />
со стенками, покрытыми твердым<br />
носителем<br />
/ - метан; 2 - н-пентан; 3 - 2,2,-<br />
диметилбутан; J - н-гексан; 6 - н-<br />
гептан<br />
капиллярными колонками, подробное рассмотрение этих работ<br />
будет проведено в следующей главе. В настоящее время колонки<br />
с покрытыми инертными твердыми носителями стенками изготовляются<br />
серийно и поставляются потребителям рядом зарубежных<br />
фирм, специализирующихся в области хроматографии. Судя<br />
по публикуемым хроматограммам, в большинстве случаев наблюдаешШ^ффективность<br />
современных капиллярных колонок<br />
такого типа составляет 1500-1700 т.т. на 1 м их длины.<br />
этих работах, занимали до 42% поперечного сечения капиллярной<br />
трубки. В этом случае количество жидкой фазы в колонке, а,<br />
следовательно, и к возрастали более, чем в 100 раз. Это показывает<br />
значительные преимущества колонок с пористым слоем<br />
твердого носителя на стенках (SCOT-колонок) по сравнению с<br />
обычными капиллярными колонками.<br />
Ряд промежуточных слоев из мелкодисперсных силикатных<br />
материалов изучен в работе автора [74]. Для создания промежуточных<br />
пористых слоев были использованы аэросил, дезактивированный<br />
кипячением в ксилоле с гексаметилдисилазаном, триметилхлорсиланом<br />
и пиридином, пирокремнезем - продукт сгорания<br />
силиконового масла на воздухе и цемент, высушенный при<br />
450° С. При двухкратном нанесении динамическим способом полидиметилсилоксана<br />
Е-301 и полиметилтрифторпропилсилоксана<br />
СКТФТ-50 из 5%-ного раствора в хлористом метилене или в<br />
ацетоне были получены капиллярные колонки с удельной эффективностью<br />
1200-1700 т.т./м. Особо следует отметить возможность<br />
получать высокоэффективные капиллярные колонки при<br />
использовании такого широко доступного материала как цемент.<br />
В настоящее время разработаны весьма разнообразные приемы<br />
формирования слоев пористых или тонкодисперсных материалов<br />
на внутренней поверхности капиллярных трубок. В частности,<br />
ряд усовершенствований процесса образования пористых<br />
слоев описан в работах Гранта [75] и Бруле и Дюбуа [76]. Интересной<br />
модификацией колонок со стенками, покрытыми твердым<br />
носителем, являются колонки, в которых роль твердого носителя<br />
выполняет слой вспененного органического полимера<br />
[77]. Многочисленные литературные данные о технологии изготовления<br />
и рабочих характеристиках колонок с покрытыми твердым<br />
носителем стенками подвергнуты критическому рассмотрению<br />
в обзоре Эттре [78]. Ряд технологических приемов позволяет<br />
формировать пористые слои инертных носителей непосредственно<br />
при изготовлении исходной капиллярной трубки. Ввиду того,<br />
что большая часть таких работ выполнена со стеклянными<br />
140<br />
4.6. КАПИЛЛЯРНЫЕ КОЛОНКИ<br />
ДЛЯ ГАЗОАДСОРБЦИОННОЙ ХРОМАТОГРАФИИ<br />
Преимуществами газо-адсорбционной хроматографии являются<br />
высокая стабильность адсорбционных колонок, их почти<br />
неограниченная термостойкость, отсутствие осложнений, связанных<br />
с испарением или деструкцией жидкой фазы и, наконец, достаточно<br />
высокая разделяющая способность. Поэтому неудивительно,<br />
что на разработку технологии приготовления высокоэффективных<br />
адсорбционных капиллярных колонок были затрачены<br />
значительные усилия. По-существу, адсорбционными колонками<br />
могут быть любые капиллярные колонки, работающие при<br />
температуре, более низкой, чем температура плавления жидкой<br />
фазы, как, например, в работе Сояка и Крупчика [79]. В этом исследовании<br />
на колонках с Карбоваксом 2OM при температуре ниже<br />
его температуры плавления (при 20-7O 0 C) были успешно разделены<br />
ундекан и цис- и транс-изомеры 2-ундецена.<br />
Первые попытки изготовления таких колонок были связаны с<br />
опытами Златкиса и Уокера [80] и Халаша и Хорвата [63]. Первые<br />
авторы пытались осуществить хроматографическое разделение<br />
различных углеводородов, в том числе соединений с довольно<br />
большой молекулярной массой, на слоях золота, серебра, платины<br />
и ртути, осажденных на внутренней поверхности медных капилляров<br />
путем продавливания через них растворов солей соответствующих<br />
металлов. В этих экспериментах удалось добиться некоторых<br />
успехов, таких, например, как разделение цис- и транс-декалинов<br />
за три мин при комнатной температуре, однако в большинстве случаев<br />
наблюдалось сильное искажение формы пиков. Более успешным<br />
оказалось использование таких осадков в качестве промежуточных<br />
слоев при нанесении жидких стационарных фаз.<br />
Более успешными были эксперименты Халаша и Хорвата [63].<br />
Эти авторы статическим способом наносили на стенки капилляров<br />
слои графитированной сажи. Сначала 15 г графитированной сажи<br />
141
Рис. 33. Разделение смеси метана и<br />
галогенопроизводных углеводородов<br />
на капиллярной колонке со<br />
стенками, покрытыми графитированной<br />
сажей<br />
/ - метан; 2 - хлористый метилен;<br />
3 - хлороформ; 4-1,1,2-трифтор-1,2,2-<br />
трихлорэтан; 5 - четыреххлористый<br />
углерод<br />
суспендировали при очень энергичном<br />
перемешивании в смеси<br />
220 мл трифтортрихлорэтилена<br />
и 30 мл четыреххлористого углерода.<br />
Полученной суспензией заполняли<br />
капиллярную трубку,<br />
45 Время, сек затем закрывали ее один конец и<br />
удаляли растворитель, медленно<br />
вводя капилляр открытым концом вперед в термостат, нагретый<br />
выше температуры кипения растворителя. Благодаря высокой адсорбционной<br />
способности и очень однородной поверхности графитированной<br />
сажи удалось получить отличное разделение ряда углеводородов<br />
и других соединений при значительно большей величине<br />
проб, чем допускают обычные капиллярные колонки (рис. 33).<br />
Слои адсорбентов типа силикагеля наносили на внутреннюю<br />
поверхность капилляров, выполненных из металлов (меди и нержавеющей<br />
стали) и полиамидных пластиков (найлона и дельри-<br />
Время, мин<br />
Рис. 34. Анализ образца природного газа на алюминиевой колонке с<br />
пленкой окиси алюминия. Длина колонки 17 м, диаметр 0,5 мм. Температура<br />
100 0 C; скорость газа-носителя (CO 2 ) 2 мл/мин<br />
/ - метан; 2 - этан; 3 - пропан; 4 - изобутан; 5 - н-бутан; 6 - неопентан; 7 -<br />
изопентан; 8 - н-пентан; 9 - циклопентан; 10 - группа пиков изомеров гексана;<br />
// - н-гексан<br />
142<br />
на). Капилляры имели длину 25-30 м и диаметр 0,5-0,85 мм [81].<br />
Через капилляры пропускали золь кремнезема Налькоас 1022, содержащий<br />
22% коллоидальной двуокиси кремния, диспергированной<br />
в смеси воды и изопропанола. Кроме того, применяли также<br />
-золи кремнекислоты, диспергированной в воде, циклогексане или<br />
бензоле (водный золь носит название Каб-О-Сил). Полученные<br />
капиллярные колонки оказались очень удобными для разделения<br />
легких углеводородов до C 7 , которое может успешно осуществляться<br />
даже при комнатной температуре. Позже [82] было описано<br />
разделение смеси 39 углеводородных компонентов при O 0 C на<br />
капиллярных колонках, приготовленных путем пропускания через<br />
капилляры золей гидрофобного кремнезема Нелко-СД-100.<br />
Парселл [83] наносил слой мелкораздробленного цеолита<br />
(молекулярного сита 5A) на стенки медного капилляра диаметром<br />
1 мм. Полученные адсорбционные колонки давали возможность<br />
с высокой эффективностью разделять перманентные газы<br />
при комнатной температуре за две-три мин. Преимущества таких<br />
колонок подробно обсуждаются в работе [84].<br />
Киркланд [85] описал ряд удачных разделений полигалогенометанов<br />
типа фреонов на колонках длиной 8-10 м и диаметром<br />
0,25-0,50 мм со стенками, покрытыми силикатным коллоидным<br />
адсорбентом - волокнистым богемитом, имевшим удельную поверхность<br />
порядка 275 м 2 /г. Полное разделение довольно сложных<br />
смесей достигалось меньше, чем за две мин.<br />
Интересные данные были получены при исследовании адсорбционных<br />
колонок со стенками, покрытыми оксидом алюминия.<br />
Опыты по нанесению оксида алюминия на стенки капилляров,<br />
проведенные Халашем и Хорватом [68], не привели к достаточно<br />
удачным результатам. Большего успеха добились Птижан<br />
и Лефто [13], разработавшие способ формирования слоев оксида<br />
алюминия примерно 5 мкм толщиной на внутренней поверхности<br />
алюминиевых капилляров длиной 20-30 м и диаметром<br />
0,500-0,625 мм. Поверхность адсорбента достигала 4,6 м 2 на 1 м<br />
длины колонки. Эти колонки успешно применялись для разделения<br />
смесей низших углеводородов типа природного газа. Смеси,<br />
содержащие гексан, анализировали при 100 0 C (рис. 34). При наличии<br />
в анализируемой смеси углеводородов C 7 -C 9 температуру<br />
колонки повышали до 225°С.<br />
При работе с адсорбционными колонками с оксидом алюминия<br />
наблюдается чрезмерно энергичная адсорбция непредельных<br />
соединений, что затрудняет анализ ряда практически важных<br />
смесей. Для устранения этого нежелательного явления было<br />
предложено модифицировать оксид алюминия путем добавления<br />
долей процента малолетучих жидких фаз, как и в случае напол-<br />
143
ненных колонок [86]. При работе в области температур выше<br />
100 0 C в потоке газа-носителя водорода оксид алюминия может<br />
проявлять каталитические свойства, способствующие гидрогенизации<br />
ненасыщенных соединений.<br />
Довольно успешным оказалось применение адсорбционных<br />
капиллярных колонок с солями щелочных металлов, например, с<br />
хлоридом рубидия [87]. Такие колонки термически устойчивы по<br />
крайней мере до 450 0 C и при длине всего 3-5 м позволяют осуществить<br />
разделение высококипящих алканов и полициклических<br />
ароматических углеводородов.<br />
Ряд полезных и перспективных приемов формирования адсорбционных<br />
слоев на внутренней поверхности колонки разработан<br />
специально для стеклянных капилляров. Эти приемы будут<br />
подробно рассмотрены в следующей главе.<br />
4.7. ЗАВЕРШАЮЩИЕ ОПЕРАЦИИ В ПРОЦЕССЕ<br />
ПРИГОТОВЛЕНИЯ КАПИЛЛЯРНЫХ КОЛОНОК<br />
При нанесении пленки неподвижной жидкой фазы статическим<br />
способом по окончании испарения растворителя открывают<br />
закрытый конец колонки и продувают колонку инертным газом в<br />
течение нескольких часов при температуре испарения растворителя.<br />
При этой операции из колонки удаляются пары растворителя,<br />
оставшиеся в ее газовом объеме, и следы растворителя и других<br />
летучих компонентов, содержащихся в жидкой фазе. К этой простой<br />
операции и сводится окончательная подготовка колонки к работе.<br />
После охлаждения колонки при непрерывном пропускании<br />
через нее инертного газа ей придают форму, требуемую конструкцией<br />
хроматографа, и приступают к ее эксплуатации.<br />
При использовании динамического способа нанесения неподвижной<br />
фазы после прохода пробки раствора жидкой фазы на<br />
стенках колонки остается весьма неустойчивая пленка жидкости,<br />
требующая очень осторожной и тщательной обработки для полного<br />
удаления растворителя и формирования устойчивого слоя<br />
жидкой стационарной фазы. Такая обработка, называемая кондиционированием<br />
колонки, проводится следующим образом. Вначале<br />
колонку при комнатной температуре продувают в течение нескольких<br />
часов медленным током инертного газа для удаления основной<br />
массы растворителя. На протяжении примерно четырех<br />
часов скорость газа увеличивают от 0,03-0,05 до 1-2 мл/мин.<br />
Затем колонку помещают в термостат и, не прерывая поток<br />
инертного газа, начинают медленно поднимать температуру со<br />
144<br />
скоростью 1-2 град./мин до значения на 20-30 0 C выше предполагаемой<br />
рабочей температуры, либо на 10-20 0 C ниже предела термической<br />
устойчивости неподвижной фазы. При этой температуре<br />
выдерживают колонку несколько часов (например, в течение<br />
ночи). Затем колонку медленно охлаждают до комнатной температуры<br />
и, если кондиционирование проводилось в отдельном термостате,<br />
переносят в термостат хроматографа.<br />
Процесс кондиционирования, в зависимости от конкретных условий<br />
может занимать от двух-трех до 10-15 часов и более. В процессе<br />
кондиционирования из колонки полностью удаляются следы<br />
растворителя жидкой фазы и все летучие примеси. В случае необходимости<br />
колонку хранят с герметически закрытыми концами.<br />
Это предохраняет неподвижную фазу от контакта с воздухом и<br />
препятствует таким образом ее окислению или загрязнению компонентами,<br />
сорбируемыми из атмосферы. Длительное хранение<br />
колонок при комнатной температуре может приводить к потере их<br />
разделяющей способности. Это особенно характерно для колонок<br />
с неподвижными фазами, твердыми при комнатной температуре<br />
или способными к рекристаллизации (высокомолекулярные полиэтиленгликоли,<br />
некоторые полиэфиры, 7,8-бензохинолин, Версамид<br />
и др.) [88]. В настоящее время при изготовлении капиллярных<br />
колонок завершающие операции часто включают иммобилизацию<br />
или химическую сшивку неподвижной фазы. Эту операцию<br />
наиболее часто осуществляют при нанесении полисилоксановых и<br />
полиэтиленгликолевых неподвижных фаз на стеклянные и кварцевые<br />
капиллярные колонки. Подробное описание этого процесса<br />
приведено в следующей главе.<br />
В заключение этого раздела следует заметить, что не следует<br />
экономить время, затрачиваемое на приготовление капиллярной<br />
колонки. Срок службы хорошо приготовленной колонки может<br />
измеряться по крайней мере несколькими годами, так что даже<br />
несколько недель, затраченные на ее приготовление, будут в<br />
конце концов многократно оправданы.<br />
4.8. ПОДАВЛЕНИЕ АДСОРБЦИОННОЙ АКТИВНОСТИ<br />
ГАЗОЖИДКОСТНЫХ КАПИЛЛЯРНЫХ КОЛОНОК<br />
Любой твердый носитель неподвижной жидкой фазы, в том<br />
числе и стенки капиллярных трубок, способен в большей или<br />
меньшей степени адсорбировать молекулы разделяемых<br />
веществ. Вследствие весьма малого содержания жидкой фазы в<br />
капиллярных колонках даже незначительное проявление адсорб-<br />
145
ционной активности вызывает заметное искривление изотерм<br />
сорбции, что немедленно приводит к резкому снижению эффективности<br />
разделения и искажению формы пиков, приобретающих<br />
сильно размытые задние фронты ("хвосты"). Поэтому в капиллярной<br />
хроматографии большое внимание уделяется разработке<br />
способов снижения остаточной адсорбционной активности<br />
колонок.<br />
Простейшим приемом подавления нежелательной адсорбционной<br />
активности, особенно в случае применения неполярных<br />
жидких фаз, является добавление к ним 1-2% поверхностно-активных<br />
веществ, одновременно облегчающих формирование<br />
равномерной жидкой пленки на стенках колонки. Типичными<br />
примерами таких добавок являются моноолеиновый эфир шестиатомного<br />
спирта сорбита Атпет 80 [89], аналогичный продукт<br />
Спан 80, эфиры жирных кислот C 16 -C 18 и сорбита, этерифицированные<br />
в свою очередь остатками полиэтиленгликоля - Твин 60,<br />
Твин 80 и др. Часто применяемой поверхностно-активной добавкой<br />
является замещенный оксазолин Алкатерг T [90], алкиларилсульфонаты,<br />
детергент ОП-7 и др. При разделении высокополярных<br />
соединений, например, свободных жирных кислот, содержание<br />
поверхностно-активных веществ приходится увеличивать<br />
до 4—10% [91], что оказывает заметное влияние на разделяющие<br />
свойства неподвижной фазы (рис. 35).<br />
Более сложные варианты обработки внутренних стенок капилляра,<br />
существенно изменяющие природу их поверхности, описаны<br />
в уже рассматривавшейся выше работе Златкиса и Уокера<br />
[80]. В этой работе на внутреннюю поверхность медных капилляров<br />
наносили слои золота, серебра и платины. Для этого через<br />
капилляры пропускали 15%-ные водные растворы хлорного золота,<br />
цианистого серебра или тетрахлороплатинатов, что приводило<br />
к значительному увеличению эффективности колонок, даже<br />
при разделении углеводородов. Аналогичный результат был<br />
получен при обработке внутренней поверхности капилляров раствором<br />
бихромата калия, окислявшего медь до оксида. По-существу,<br />
эти методы приводили к замене меди на внутренней поверхности<br />
капиллярных трубок другим материалом, либо к созданию<br />
промежуточного слоя, прочно связанного с поверхностью<br />
металла и в то же время хорошо удерживающего неподвижную<br />
фазу. В одной из первых попыток создания такого слоя медные<br />
капилляры покрывали изнутри слоем оксида меди. Для этого<br />
медный капилляр длиной 100 м и диаметром 1 мм промывали<br />
40%-ной азотной кислотой и затем дистиллированной водой.<br />
После такой очистки внутреннюю поверхность капилляра подвергали<br />
окислению пропусканием сухого кислорода при<br />
146<br />
о<br />
о,<br />
о<br />
«<br />
0<br />
JiHJ<br />
10 15 20 25 Время, мин<br />
Рис. 35. Хроматограмма смеси свободных жирных кислот, полученная<br />
на колонке длиной 60 м и диаметром 0,5 мм при температуре 14O 0 C и<br />
скорости газа-носителя (гелия) 15 мл/мин. Неподвижная фаза - тримерная<br />
кислота C 54 с добавкой 4% динонилнафталинсульфокислоты<br />
/ - ацетон; 2 - уксусная кислота; 3 - пропионовая кислота; 4 - масляная кислота;<br />
5 - валериановая кислота; 6 - капроновая кислота; 7 - гептановая кислота;<br />
8 - каприловая кислота<br />
200-250 0 C в течение 5-7 час. В результате этой операции на внутренней<br />
поверхности капилляра формировался губчатый слой<br />
оксида меди, который не только облегчал образование стабильной<br />
пленки неподвижной фазы, но еще позволял по крайней мере<br />
вчетверо увеличить ее количество. При этом в опытах по разделению<br />
весьма трудно делящихся 2-метилпентана и 3-метилпентана<br />
оказалось возможным увеличить объем вводимой пробы с<br />
0,5 до 1,6 мкл без снижения качества разделения. В этих опытах<br />
неподвижную фазу наносили статическим способом. Попытки<br />
использования различных вариантов динамического способа не<br />
привели к хорошим результатам.<br />
Златкис и Уокер [80], а позднее Керер, Штруппе и Лейбниц<br />
[93] наносили на стенки капилляров промежуточные покрытия<br />
из эпоксидных смол, поливинилового спирта и других полимерных<br />
материалов. Авторы этих работ учитывали, что материалы<br />
промежуточных слоев должны хорошо связываться с поверхностью<br />
металлов или пластиков, и в то же время они должны хо-<br />
147
рошо смачиваться наносимыми неподвижными жидкими фазами.<br />
Одновременно эти материалы должны обладать достаточной<br />
термостойкостью и быть нерастворимыми в жидких фазах и в<br />
растворителях, применяемых при их нанесении.<br />
Этим требованиям в наибольшей степени отвечают промежуточные<br />
слои из эпоксидных смол. Для образования промежуточного<br />
эпоксидного слоя смесь исходной смолы и отвердителя в соотношении<br />
2:1 растворяли в о-дихлорбензоле. Концентрация раствора<br />
могла изменяться в пределах 5-15%. Приготовленный таким<br />
образом раствор продавливали через капиллярную трубку<br />
так же как и при нанесении неподвижной фазы динамическим<br />
способом. После удаления растворителя капилляр нагревали<br />
12 часов при 90 0 C для отверждения смолы, не прерывая ток газа.<br />
На подготовленный таким образом капилляр обычным путем наносили<br />
неподвижную жидкую фазу. При этом оказалось возможным<br />
получить высокоэффективные металлические и пластмассовые<br />
колонки с такими полярными жидкими фазами, как полиэтиленгликоль,<br />
трикрезилфосфат, Эмульфор О и др.<br />
В настоящее время представляется перспективным применять<br />
для создания промежуточных слоев современные материалы<br />
для лакокрасочных покрытий, например меламиналкидные<br />
смолы, силиконовые лаки и др. Однако сообщения об использовании<br />
колонок с такими слоями весьма немногочисленны. Одно<br />
из немногих исследований в этом направлении, выполненное в<br />
лаборатории автора, показало, что капиллярные колонки из медных<br />
сплавов с высокой разделительной способностью (с полной<br />
эффективностью более 50 тыс.т.т.) могут быть получены при нанесении<br />
на внутреннюю поверхность капилляров промежуточных<br />
слоев из меламинформальдегидных эмалей или грунтов для<br />
лакокрасочных покрытий [74]. Ряд промежуточных слоев, наносимых<br />
на стеклянные капиллярные колонки, подробно рассмотрен<br />
в следующей главе.<br />
ЛИТЕРАТУРА<br />
X.Ettre L.S. Open tubular columns in gas chromatography. N.Y.: Plenum<br />
press, 1965.<br />
2. Kaiser R. Chromatographie in der Gas-phase. T. 2. Kapillarchromatographie.<br />
Mannheim: Bibliogr. Inst., 1961.<br />
3. Struppe H.-G. II Handbuch der Gaschromatographie // Ed. H.-G. Struppe,<br />
E. Leibnitz, Leipzig: Akad.-Verl.; Geest & Portig, 1966. S. 311. Рус. пер.:<br />
Руководство по газовой хроматорафии. M.: Мир, 1969. С. 311.<br />
4. Novotny M., Zlatkis A. // Chromatogr. Rev. 1971. Vol. 14. P. 1.<br />
5. Калмановский В.И., Киселев А.В., Лебедев В.П. и др. // Газовая хроматография.<br />
M.: Наука, 1964. С. 157.<br />
148<br />
6. Витт СВ., Бондарев В.Б., Полинин BJI. // Изв. АН СССР. Сер.<br />
хим. 1964. С. 1145.<br />
7. Влодавец МЛ. // Журн. Аналит. Химии. 1968. T. 23, № 7. С. 1380.<br />
8. Денисенко А.Н., Иванова М.П., Лебедева В.И. и др. // Журн. прикл.<br />
химии. 1968. T. 41.C. 2559.<br />
9. Desty D.H. // Advances in chromatography // Ed. J.С. Giddings,<br />
R.A. Keller, N.Y.: Dekker, 1965. P. 199.<br />
10. Пауков В.Н., Руденко Б.А., Кучеров В.Ф. Il Журн. Аналит. Химии.<br />
1968. T. 23, №7. С. 1247.<br />
11. Desty D.H., Goldup A., Whytman B.H.P. // J. Inst. Petrol. 1959. Vol. 45.<br />
P. 257.<br />
12. Kaiser R. Gas phase chromatography. L.; Wash. (D.C): Butterworths, 1963.<br />
Vol. 2: Capillary gas chromatography.<br />
13. Petitjean D.L., Leftault CJ. Il J. Gas Chromatogr. 1963. Vol. 1. P. 18.<br />
14. Zlatkis A. Il Lectures on gas chromatography, 1962 / Ed. H.A. Szymanski.<br />
N.Y.: Plenum press, 1963. P. 87.<br />
15. Golay MJE. // Gas chromatography / Ed. VJ. Coates et al. N.Y.: Acad.<br />
Press, 1958. P. 1.<br />
16. ScottR.P.W. //Nature. 1959. Vol. 183. P. 1753.<br />
17. Scott R.P.W., Hazeldean G.S.F. // Gas chromatography, 1960 / Ed. R.P.W.<br />
Scott. Wash. (D.C.): Butterworths, 1960. P. 144.<br />
18. Struppe H.-G. Il Sbornik о plynove chromatografie: Referaty prednesene na<br />
konferenci о plinove chromatografie. Bratislava, 1961.<br />
19. Philips T., Owens D. I/ Gas chromatography, 1960 / Ed. R.P.W. Scott. L.:<br />
Butterworths, 1960. P. 350.<br />
20. Scott R.P.W. Il Progress in industrial gas chromatography / Ed. H.A.<br />
Szymanski. N.Y.: Plenum press, 1961. P. 229.<br />
IX.Bombick D., Dinunzio J. Il Chromatographia. 1981. Vol. 14, № 1.<br />
P. 19-22.<br />
22. Tesarik K., Komarek K. Capillary columns in gas chromatography. Prague:<br />
State Publ. Techn. Lit., 1985. Рус. пер.: Капиллярные колонки в газовой<br />
хроматографии. M.: Мир, 1987.<br />
23. Shafrin E.G., Zisman W.A. Monomolecular layers. Wash. (D.C):<br />
A.A.A. Symp. Publ., 1954.<br />
24. Shafrin E.G., Zisman W.A. // J. Phys. Chem. 1960. Vol. 64. P. 519.<br />
25. Zisman W.A. Il Adhesion and Cohesion //Ed. P. Weiss. N.Y.: Elsevier, 1962.<br />
P. 280.<br />
26. Zisman W.A. // Indust. and Eng. Chem. 1963. Vol. 55. P. 19.<br />
27. Young T. Il Philos. Trans. Roy. Soc. London. 1805. Vol. 95. P. 65.<br />
28. Harkins W.D. // Chem. Rev. 1941. Vol. 29. P. 408.<br />
29. Dupre A. Theorie mecanique de la Chaleur. P.: Gauthier-Villars, 1896.<br />
30. Wenzel R.N. II Industr. and Eng. Chem. 1936. Vol. 28. P. 988.<br />
3\.Farre-Rins F., HennikerJ., Guiochon G. Il Nature. 1962. Vol. 196. P. 63.<br />
32. Ryba M. Il J. Chromatogr. 1976. Vol. 123, № 2. P. 317-325.<br />
33. Muschik G.M., Miller M.H. 11 Abstr. 179th Nat. Meet, of the Amer. Chem.<br />
Soc, Houston, TX, March, 1980. Wash. (D.C); 1980. P. 73.<br />
34. Bertsch W., Pretorius V. // J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr.<br />
Commun. 1982. Vol. 5. P. 498.<br />
149
35. Porcaro PJ. Hi. Gas Chromatogr. 1963. Vol. 1. P. 17.<br />
36. Hollis OL. II Anal. Chem. 1963. Vol. 35. P. 1921.<br />
37. Хромченко ЯЛ., Руденко Б.А. // Журн. аналит. химии. 1981. T. 36,<br />
№ 10. С. 2000-2005.<br />
38. Хромченко ЯЛ., Руденко Б.А. // Там же. С. 2006-2012.<br />
39. Виноградова С.Д., Выгодский Я.С. // Успехи химии. 1973. T. 42, № 7.<br />
С. 1225.<br />
40. Sojak L., Berezkin V.G., Janak J. // J. Chromatogr. 1981. Vol. 209, № 1.<br />
P. 15-20.<br />
40. Dijkstra G., de-Goey L. // Gas chromatography, 1958 / Ed. D.H. Desty. L.:<br />
Butterworths, 1958. P. 56. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография. M.:<br />
Изд-во иностр. лит., 1961. С. 61-69.<br />
Al. Novotny M., Bank K.D., Blomberg L. // J. Chromatogr. 1969. Vol. 45.<br />
P. 469.<br />
42. Bartle K.D., Bergstedt L., Novotny M., Widmark G. Il Ibid. P. 256.<br />
43. Novotny M., Blomberg L., Bartle K.D. // J. Chromatogr. Sci. 1970. Vol. 8.<br />
№ 7. P. 390.<br />
46. Fairbrother F., Stubbs A.E. // J. Chem. Soc. 1935. № 2. P. 527.<br />
47. Taylor G. 1. Hi. Fluid Mech. 1961. Vol. 10. P. 161.<br />
48. Goldsmith HL., Mason S.G. // J. Colloid Sci. 1963. Vol. 18. P. 237.<br />
49. Goren S. I/ i. Fluid Mech. 1962. Vol. 12. P. 309.<br />
50. Desty D.H., Goldup A., Swanton WJ. // Gas chromatography / Ed.<br />
N. Brenner et al. N. Y.; L.: Acad, press, 1962. P. 105.<br />
51. Kaiser R. //Gas-Chromatographie. Leipzig: Akad.-Verl., 1962. S. 223.<br />
52. Desty D.H., Goldup A. // Gas Chromatography, 1960 / Ed. R.P.W. Scott.<br />
Wash. (D.C): Butterworths, 1960. P. 162. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография.<br />
M.: Мир, 1964. С. 220-241.<br />
53. Struppe H.-G. // Chem. Technol.1962. Vol. 14. P. 114.<br />
54. Novotny M., Zlatkis A. Il J. Chromatogr. Sci. 1970. Vol. 8. P. 346.<br />
55. Пауков В.Н., Руденко Б.А., Кучеров В.Ф. // Изв. АН СССР. Сер.<br />
хим. 1968. № 1. С. 15.<br />
56. Nikelly J.С. Il Anal. Chem. 1972. Vol. 44, № 3. P. 623-627.<br />
57. Golay M.J.E. I I Gas Chromatography, 1958 / Ed. D.H. Desty. L.:<br />
Butterworths, 1958. P. 36. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография. M.:<br />
Изд.-во иностр. лит., 1961. С. 39-60.<br />
58. Bouche /., Verzele M. Il J. Gas Chromatogr. 1968. Vol. 6. P. 501.<br />
59. Ettre LS. Introduction to open tubular columns. Norwalk: Perkin-Elmer,<br />
1978.<br />
60. Jennings W. Gas chromatography with glass capillary columns. N.Y.: Acad.<br />
press, 1978. Рус. пер.: Газовая хроматография на стеклянных капиллярных<br />
колонках. M.: Мир, 1980.<br />
61. Berthou F. H Spectra. 1981. Vol. 9, № 65. P. 45-56.<br />
62. Lochmuller CH., Fisk J.D. // J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr.<br />
Commun. 1981. Vol. 4, № 5. P. 232.<br />
63. Grob K., Grob G. Il Ibid. 1982. Vol. 5. P. 119.<br />
64. Golay M.J.E. // Gas chromatography, 1960 / Ed. R.P.W. Scott. Wash.,<br />
(D.C): Butterworths, 1960. P. 139: Рус. пер.: в кн.: Газовая хроматография.<br />
M.: Мир, 1964. С. 187-194.<br />
65. Liberty A., Goretti G., Russo M.V. // J. Chromatogr. 1983. Vol. 279. P. 1-8.<br />
66. Welsch Th., Engewald W., Poerschman J. // J. Chromatogr. 1978. Vol. 148,<br />
№ l.P. 143.<br />
67. Kozuharov S. Il Ibid. 1980. Vol. 198, № 2. P. 153-155.<br />
68. Halasz 1., Horvath C Il Anal. Chem. 1963. Vol. 35. P. 499.<br />
69. Halasz 1., Horvath C Il Nature. 1963. Vol. 197. P. 71.<br />
70. Ettre LS., Purcell Т.Е., Norem S.D. // J. Gas Chromatogr. 1965. Vol. 3.<br />
P. 181.<br />
71. SandorP., Vidal-Madjar C, ConnordM.-F. et al. // Magy. kern. laia. 1978.<br />
Vol. 33, № 5. P. 232-239.<br />
72. Vidal-Madjar C, Bekassy S., Connord M.-F. et al. Il Anal. Chem. 1977.<br />
Vol. 49, № 6. P. 768-772.<br />
73. Guiochon C II Abstr. Pittsburgh Conf. Anal. Chem. and Appl.<br />
Spectroscopy, Cleveland, Ohio, 1977. Pittsburgh (Pa.), 1977. P. 268.<br />
74. Руденко Б.А., Хромченко ЯЛ. // Журн. Аналит. химии. 1982. T. 37,<br />
№1. С. 99-109.<br />
75. Grant D.W. //Ztschr anal. Chem. 1968. Bd. 236. P. 118.<br />
76. Brule G., Dubois P. Il Ann. techn. agr. 1969. Vol. 375. P. 18.<br />
77. Crowley R.P. Pat. 3407573. US. Publ. 1968.<br />
78. Ettre LS. Il Meth. Phys. Anal. 1969. Vol. 5. P. 167.<br />
79. SojakL., KrupcikJ. Hi. Chromatogr. 1980. Vol. 190, № 2. P. 283-290.<br />
80. Zlatkis A., Walker J.Q. // Anal. Chem. 1963. Vol. 35. P. 1359.<br />
81. Schwartz R.D., Brasseaux DJ., Shoemake G.R. Il Ibid. P. 496.<br />
82. Schwartz R.D., Brasseaux D.J., Mathews R.G. Il Ibid. 1966. Vol. 38. P. 303.<br />
83. Purcell JE. //Nature. 1964. Vol. 201. P. 1321.<br />
84. Ettre LS., Purcell J.E., Billeb K. // J. Chromatogr. 1966. Vol. 24. P. 335.<br />
85. KirklandJJ. //Anal. Chem. 1965. Vol. 35. P. 1295.<br />
86. Eggertsen F.T., Knight HS., Groennings S. Il Ibid. 1956. Vol. 28.<br />
P. 303.<br />
87. Ober A.G., Cooke M., Nickless G. Il J. Chromatogr. 1980. Vol. 196.<br />
P. 237-244.<br />
88. Averill W. // Gas chromatography / Ed. N. Brenner et al. N.Y.: Acad, press,<br />
1962. P. 1.<br />
89. Коцев H. Справочник по газовой хроматографии. M.: Мир, 1976.<br />
90. Averill W. // J. Gas Chromatogr. 1963. Vol. 1, № 1. P. 22.<br />
91. Jentzsch D., Hovermann W. // 14th Pittsburg Conf. Anal. Chem. and Appl.<br />
Spectroscopy, Pittsburgh, Pa., Mar. 4-8, 1963. Pittsburgh, 1963.<br />
92. Kehrer C, Struppe H.G., Leibnitz E. // Gas-Chromatographie, 1965:<br />
Vortrage des V. Symp. tiber Gas-Chromatographie in Berlin, Mai, 1965. B.:<br />
Dt. Akad. Wiss., 1965. S. 247.<br />
150
Глава 5<br />
СТЕКЛЯННЫЕ И КВАРЦЕВЫЕ<br />
КАПИЛЛЯРНЫЕ КОЛОНКИ<br />
5.1. СТЕКЛЯННЫЕ И КВАРЦЕВЫЕ<br />
КАПИЛЛЯРНЫЕ КОЛОНКИ<br />
В МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ<br />
И АНАЛИЗЕ НЕУСТОЙЧИВЫХ ВЕЩЕСТВ<br />
Стекло, включая плавленый кварц, является одним из наиболее<br />
важных материалов для изготовления капиллярных колонок.<br />
Оно отличается от всех доступных металлов своей исключительно<br />
высокой химической инертностью. Специальными приемами<br />
обработки удается добиться значительного снижения адсорбционной<br />
способности стеклянных капилляров, что позволяет с успехом<br />
проводить анализы высокополярных органических соединений.<br />
С другой стороны, высокая термостойкость стекла является<br />
решающим преимуществом этого материала перед любыми<br />
известными в настоящее время полимерами, которые могут быть<br />
использованы для изготовления капиллярных колонок.<br />
Только с применением стеклянных капиллярных колонок<br />
возможно изучение состава сложных смесей лабильных веществ,<br />
характерных для современных исследс^аний в области биологии,<br />
судебной и клинической медицины, фармакологии и других дисциплин<br />
медико-биологического профиля. Разделение смесей<br />
жирных кислот и их производных, оксикислот, ряда терпеноидов<br />
и стероидных гормонов, аминоспиртов, аминокислот и их производных,<br />
продуктов химических превращений многоатомных<br />
спиртов и углеводов, анализ фармацевтических препаратов и их<br />
метаболитов, определение следов пестицидов в объектах окружающей<br />
среды - вот далеко не полный перечень задач, решаемых<br />
с помощью стеклянных капиллярных колонок.<br />
При анализе сложных смесей близких по свойствам органических<br />
продуктов в синтетической органической химии инерт-<br />
152<br />
ность и термостойкость стекла также часто приобретают решающее<br />
значение. Анализ ацеталей и полиалкоксисоединений<br />
сложного строения, полигалогено- и полинитросоединений,<br />
аминов, аминоспиртов, ряда гетероциклических соединений,<br />
производных серы, таких, как меркаптаны и сульфиды, неизбежно<br />
требует применения максимально инертных стеклянных<br />
колонок с высокой разделяющей способностью. Только с помощью<br />
стеклянных капиллярных колонок оказалось возможным<br />
подойти к решению таких сложнейших аналитических задач,<br />
как определение состава запахов, летучих метаболитов человеческого<br />
организма, феромонов и аттрактантов насекомых и<br />
изучение состава и оценка уровня загрязнений окружающей<br />
среды.<br />
Исследования ряда авторов [1-5] показали, что многие кислородсодержащие<br />
продукты естественного происхождения необратимо<br />
сорбируются или претерпевают химические изменения<br />
при контакте с нагретыми металлическими поверхностями.<br />
Аналогичные свойства проявляют многие сернистые и галогеносодержащие<br />
соединения [6-9]. Многие амины, аминоспирты<br />
и производные аминокислот при анализе на колонках, выполненных<br />
из медных сплавов или из нержавеющей стали, образуют<br />
сильно искаженные несимметричные пики, не позволяющие<br />
получить достоверную аналитическую информацию<br />
[10-14]. Причиной подобных явлений служат каталитические<br />
свойства металлов и их способность к хемосорбции азотистых<br />
соединений, возможно вследствие их повышенной способности<br />
к комплексообразованию. Показано, что ряд терпенов, содержащихся<br />
в природных продуктах, подвергается значительным<br />
изменениям при попытках газо-хроматографического анализа<br />
на металлических колонках [15]. Все эти наблюдения и факты<br />
убедительно свидетельствуют о том, что получение надежной<br />
информации о составе сложных смесей соединений природного<br />
происхождения может быть обеспечено лишь при использовании<br />
высокоэффективных колонок, выполненных из наиболее<br />
инертных материалов, самым доступным из которых является<br />
стекло.<br />
Стеклянные капиллярные колонки, имеющие спиральную<br />
форму, при общей длине 50-100 м и наружном диаметре 1-2 мм<br />
удовлетворяют самым жестким требованиям по своей термостойкости<br />
и химической инертности. Они также обладают достаточной<br />
прочностью. Например, при падении с высоты 1-1,5 м<br />
разрушения таких колонок обычно не происходит. В настоящее<br />
время можно считать, что работа со стеклянными капиллярными<br />
колонками не требует особого экспериментального мастерства,<br />
153
однако техника нанесения неподвижной фазы и присоединения<br />
стеклянных капиллярных колонок к детектору и испарителю<br />
хроматографа имеет свои особенности. Однако по мере развития<br />
технологии приготовления стеклянных капиллярных колонок и<br />
аппаратуры для работы с ними опасения, связанные с этими обстоятельствами,<br />
несомненно, будут становиться все менее и менее<br />
обоснованными. В начале развития капиллярной хроматографии<br />
можно было предполагать, что в будущем стекло полностью<br />
вытеснит все другие материалы для изготовления капиллярных<br />
колонок. Это предположение не подтвердилось в полной<br />
мере, однако сфера его применения значительно расширилась<br />
благодаря разработке капиллярных колонок из плавленого кварца,<br />
по своей прочности и удобству в работе намного превосходящих<br />
колонки из обычного стекла. В настоящее время капиллярные<br />
колонки из кварца занимают преобладающее место в капиллярной<br />
хроматографии, в значительной степени вытеснив все<br />
другие материалы.<br />
Свойства стекла как конструкционного материала могут в<br />
широких пределах изменяться при изменении соотношения входящих<br />
в его состав компонентов. Столь же широко можно варьировать<br />
и физико-химические характеристики стекла и его поверхности.<br />
Стекла с высоким содержанием диоксида кремния<br />
проявляют кислые свойства, определяемые наличием на их поверхности<br />
силанольных групп Si-OH, способных диссоциировать<br />
с отщеплением протона. С другой стороны, стекла с высоким<br />
содержанием щелочных компонентов проявляют основные<br />
свойства и могут легко подвергаться поверхностной эрозии кислыми<br />
агентами. Стекло является единственным материалом, допускающим<br />
столь широкие изменения свойств поверхности путем<br />
простого изменения соотношения входящих в его состав компонентов.<br />
Столь же легко свойства поверхности стекла изменяются<br />
под действием разнообразных физико-химических факторов.<br />
Влажность, обработка жидкими и газообразными кислыми и<br />
щелочными агентами в широких пределах изменяют свойства поверхности<br />
стекла и таким образом определяют характер смачивания<br />
ее жидкой фазой и устойчивость образующейся пленки.<br />
Высокая полярность поверхности, в частности полярность,<br />
связанная с присутствием агентов, способных вести себя, как<br />
льюисовские кислоты, например, ионов кальция, может приводить<br />
к заметному искажению формы пиков полярных соединений<br />
[16-18]. Было показано, что колонки хорошего качества для<br />
газо-жидкостной хроматографии могут быть приготовлены из<br />
стекла Пирекс или из аналогичных стекол с высоким содержанием<br />
кремнезема [19-21]. С другой стороны, щелочные стекла бы-<br />
154<br />
ли с успехом использованы для приготовления колонок для адсорбционной<br />
хроматографии, причем активный адсорбент был<br />
получен соответствующей обработкой самой поверхности стеклянного<br />
капилляра [22-25].<br />
Приготовление стеклянных капиллярных колонок осложняется<br />
наличием ряда нежелательных факторов, влияние которых<br />
затрудняет образование строго равномерной пленки жидкой фазы.<br />
Наиболее важным из этих факторов является недостаточная<br />
смачивающая способность большинства органических жидких<br />
фаз по отношению к необработанной поверхности стекла.<br />
Стекло может быть отнесено к группе типичных твердых тел<br />
с высокой поверхностной энергией, несущих на поверхности<br />
электрические заряды [26]. Многие органические жидкости имеют<br />
на поверхности стекла большие углы смачивания и их растекание<br />
по поверхности, а тем более образование мономолекулярных<br />
слоев происходит с большим трудом. Обычно на границе<br />
стекла и смачивающей жидкости образуется термодинамически<br />
нестабильный двойной электрический слой, обусловливающий<br />
явно выраженную тенденцию жидкой пленки разрываться и<br />
группироваться в отдельные мелкие капли [27, 28]. По-видимому,<br />
такая тенденция проявляется в меньшей степени только в случае<br />
жидких углеводородов и некоторых полиметилсилоксанов.<br />
По данным Эттре [29], в большинстве случаев в капиллярных<br />
колонках по разным причинам реализуется не более 20-60% теоретически<br />
достижимой разделяющей способности. Поэтому<br />
именно в технологии изготовления стеклянных капиллярных колонок<br />
разработано наибольшее многообразие приемов предварительной<br />
обработки поверхности и нанесения жидкой фазы, позволившее<br />
добиться высокой разделяющей способности колонок,<br />
выполненных из этого дешевого, доступного, инертного и<br />
достаточно прочного материала.<br />
5.2. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ<br />
СТЕКЛЯННЫХ КАПИЛЛЯРОВ БОЛЬШОЙ ДЛИНЫ<br />
Капиллярные трубки длиной до 100-150 м при внутреннем<br />
диаметре 0,1-0,5 мм могут быть легко изготовлены из стеклянных<br />
заготовок длиной 1-2 м и диаметром 6-12 мм. Стеклянные<br />
капиллярные колонки достаточно прочны и могут служить достаточно<br />
долго (до нескольких лет) как в условиях газо-жидкостной,<br />
так и газо-адсорбционной хроматографии. Схема установки для<br />
155
Рис. 36. Установка для вытягивания стеклянных капилляров большой<br />
длины<br />
/ - основание; 2 - направляющая трубка; 3 - стеклянная заготовка; 4 к 5 -<br />
подающие ролики с резиновой обкладкой; б - нагреватель; 7 и 8 - тянущие ролики;<br />
9 - фарфоровая направляющая трубка; 10 - изгибающая трубка; / / - контакты<br />
тока низкого напряжения для нагрева изгибающей трубки; 12 - готовый<br />
капилляр<br />
вытягивания стеклянных капилляров большой длины, впервые<br />
описанной Дести с сотр. [30], представлена на рис. 36.<br />
Почти одновременно аналогичную установку представил<br />
Крейенбуль [31]. Позже различные модификации этой системы<br />
были сделаны рядом авторов [32-38], а некоторые модели производились<br />
серийно несколькими зарубежными фирмами, в том<br />
числе "Шимадзу" (Япония), "Хупе аппаратебау" (ФРГ) и др.<br />
В СССР подобные установки разработаны в специальном конструкторском<br />
бюро Института нефтехимического синтеза [39] и<br />
специальном конструкторском бюро Института органической<br />
химии им. H.Д. Зелинского РАН [40]. Во всех описанных системах<br />
капилляр вытягивают из стеклянной трубки-заготовки длиной<br />
1-2 м и диаметром 5-15 мм при толщине стенок 2-3 мм. Длина<br />
получаемого капилляра ограничивается размером исходной<br />
заготовки. Из трубки длиной 1-1,5 м можно получить капилляр<br />
диаметром 0,2-1,0 мм и длиной 50-100 м. Дести и сотр. [30] сообщали<br />
о получении капиллярных трубок длиной до 300 м. Диаметр<br />
исходной заготовки и размеры получаемого капилляра связаны<br />
приближенным эмпирическим соотношением<br />
CiJd 2 = P-, (4-1)<br />
V ^ 2<br />
где d\ и d 2 - диаметры заготовки и получаемого капилляра соответственно,<br />
а и со, и CO 2 - скорости вращения (об/мин) подающих<br />
и тянущих роликов (соответственно 4, 5, 7 и 8 на рис. 35). Для работы<br />
удобно, чтобы отношение наружного и внутреннего диа-<br />
156<br />
метров капилляра составляло 3-4, так что при внутреннем диаметре<br />
0,2-0,3 мм наружный диаметр будет примерно 1 мм. Такие<br />
капилляры выгодно отличаются от более толстостенных несколько<br />
большей гибкостью. С другой стороны, вытягивание более<br />
толстостенных капиллярных трубок осуществляется несколько<br />
легче.<br />
Изгибающий узел 10 (см. рис. 35) является одним из элементов<br />
установки, требующим наиболее тонкой регулировки. Температура<br />
изгибающей трубки должна соответствовать началу<br />
размягчения применяемого стекла. Даже незначительный перегрев<br />
влечет за собой прилипание стекла и порчу трубки, а недостаточная<br />
температура приводит к поломке капилляра. В оригинальном<br />
варианте установки [30] и более поздних описаниях [33]<br />
изгибающий узел выполнялся из тонкостенной нержавеющей<br />
трубки, обогреваемой током от низковольтного трансформатора.<br />
Изгибающую трубку можно изготовить из кварца с внешней<br />
нагревательной обмоткой, питаемой напряжением в несколько<br />
десятков вольт. Для уменьшения трения в изгибающей трубке используют<br />
в качестве смазки порошкообразный или чешуйчатый<br />
графит, часто с добавкой сульфида молибдена.<br />
Для соблюдения постоянного режима вытяжки капилляра необходимо<br />
строгое постоянство температур в нагревательной печи<br />
и в изгибающей трубке и скоростей вращения подающих и тянущих<br />
роликов. Ток, питающий нагреватели, должен быть тщательно<br />
стабилизирован, а для вращения роликов лучше применять<br />
синхронные моторы с постоянным числом оборотов и жесткой<br />
характеристикой. Если изгибающий узел нагревается пропусканием<br />
тока непосредственно через материал трубки, то частым<br />
источником осложнений являются контакты, соединяющие трубку<br />
с низковольтным трансформатором. При силе тока 15-20 А и<br />
напряжении питания 1-2 В и менее даже крайне незначительные<br />
изменения сопротивления контактов вследствие окисления приводят<br />
к заметным нарушениям теплового режима и к поломке изготавливаемого<br />
капилляра. Поэтому изгибающие узлы с трубкой<br />
диаметром 6-8 мм, снабженной внешней обмоткой, легче регулируются<br />
и более надежны в работе.<br />
При вытягивании очень тонких капилляров диаметром менее<br />
100 мкм можно вообще отказаться от изгибающего устройства,<br />
так как такие тонкие капилляры обладают достаточной гибкостью<br />
и могут наматываться на катушки или каркасы без разрушения,<br />
особенно в том случае, если их внешняя поверхность сразу<br />
после вытяжки покрывается термостойким лаком [35, 37].<br />
Показано, что при уменьшении диаметра капиллярной колонки<br />
от 0,2-0,3 мм до 50 мкм и менее можно достичь весьма зна-<br />
157
чительного увеличения скорости хроматографического анализа<br />
[41,42].<br />
Весьма важным рабочим параметром установки для вытягивания<br />
капилляров является температура основной нагревательной<br />
печи, размягчающей заготовку. Эта температура зависит от скорости<br />
вытягивания капилляров и должна поддерживаться строго постоянной.<br />
По данным работы [30], при вытягивании капиллярных<br />
трубок из стекла Пирекс или из сходного материала с высоким содержанием<br />
кремнезема обычно достаточно, чтобы температура<br />
печи превышала температуру начала размягчения стекла примерно<br />
на 100 0 C, т.е. была бы около 800°С. При работе с более легкоплавкими<br />
стеклами температура печи должна несколько меньше<br />
отличаться от температуры их размягчения. При соблюдении этих<br />
условий и их строгом постоянстве размеры капилляров с внутренним<br />
диаметром 0,1 мм и более получаются постоянными, с точностью<br />
1-5% отн. Более тонкие капиллярные трубки имеют более<br />
значительные вариации диаметра, достигающие 10-15% отн.<br />
Важными факторами, определяющими качество будущего<br />
капилляра и приготовленной из него колонки, являются состояние<br />
и геометрические характеристики исходной стеклянной заготовки.<br />
Стеклянная трубка, подготовленная для вытягивания капилляров,<br />
не должна иметь каких-либо дефектов стекла. Ее размеры<br />
- наружный диаметр и толщина стенки - должны быть<br />
строго постоянны по всей длине. Недопустима овальность сечения<br />
или неравномерность толщины стенки трубки. Отобранные<br />
трубки тщательно освобождают от пыли, моют щелочным раствором<br />
перманганата, тщательно ополаскивают дистиллированной<br />
водой и сушат в сушильном шкафу в течение нескольких часов<br />
в вертикальном положении. Подготовленные к работе заготовки<br />
должны сохраняться в сухом помещении с закрытыми ватными<br />
тампонами концами. Тампоны удаляют непосредственно<br />
перед употреблением данной заготовки.<br />
Несколько измененное устройство, описанное Дести и др.<br />
[30], позволяет вытягивать капиллярные трубки из кварца [32],<br />
однако это значительно более трудный процесс. Будучи, в отличие<br />
от стекла, по своему составу очень чистым индивидуальным<br />
веществом, кварц имеет очень узкую зону температур размягчения.<br />
Это означает, что переход от твердого состояния к жидкому<br />
у кварца происходит в очень узком температурном интервале<br />
[41]. Поэтому капиллярные трубки из кварцевого стекла, имеющие<br />
достаточно большую длину, можно получить лишь при<br />
очень высоких скоростях вытяжки, достигающих десятков метров<br />
в секунду. Сразу после вытяжки кварцевый капилляр проходит<br />
через сосуд с жидким полиимидным лаком. Покрывая внега-<br />
158<br />
нюю поверхность кварцевого капилляра, лаковое покрытие предохраняет<br />
ее от воздействия атмосферной влаги и тем предотвращает<br />
возникновение поверхностных дефектов, являющихся центрами<br />
разрушения при изгибающих нагрузках. Это придает кварцевым<br />
капиллярам очень высокую прочность при изгибе: кварцевый<br />
капилляр диаметром 0,3-0,4 мм можно без разрушения наматывать<br />
на палец руки. Поэтому такие капилляры можно без<br />
всяких затруднений сворачивать в спиральные бухты диаметром<br />
15-20 см, удобные для размещения в термостатах существующих<br />
хроматографов.<br />
Чистота кварца, из которого вытягивают капилляры для хроматографии,<br />
должна быть очень высокой - обычно общее содержание<br />
примесей в этом материале не превышает 0,01%. При большем<br />
содержании примесей быстро снижается прочность получаемых<br />
капилляров и ухудшается качество приготовленных из них капиллярных<br />
колонок. При изготовлении тонких кварцевых капилляров<br />
используется техника, разработанная для производства кварцевых<br />
и стеклянных световодов для волоконной оптики. Поэтому,<br />
в отличие от стеклянных капилляров кварцевые капилляры обычно<br />
не изготавливают в аналитических лабораториях, а приобретают<br />
готовыми у соответствующих производителей.<br />
Впервые о применении кварцевых капиллярных колонок сообщили<br />
Дандено и Зереннер в 1979 г. [44]. В последующей работе<br />
[45] было показано, что кварцевые капиллярные колонки хорошего<br />
качества могут быть приготовлены из плавленого высокочистого<br />
диоксида кремния, получаемого сжиганием SiH 4 или SiCl 4 в<br />
чистом кислороде. Внутреннюю поверхность гибких капилляров<br />
из кварцевого стекла, полученного плавлением высокочистого диоксида<br />
кремния, дезактивировали полиэтиленгликолем Карбовакс<br />
2OM. Далее для приготовления капиллярной колонки наносили на<br />
внутренние стенки капилляра полисилоксановую неподвижную<br />
фазу SP-2100. Полученные колонки обладали высокой эффективностью<br />
и были пригодны для разделения углеводородов, спиртов,<br />
фенолов, алифатических и ароматических аминов.<br />
Технику приготовления капиллярных колонок из плавленого<br />
кварца описали также Липски, МакМюррей и сотр. [46, 47].<br />
В этих работах было изучено влияние способов обработки внутренней<br />
поверхности таких капилляров на эффективность разделения<br />
спиртов, стероидов и эфирных масел. В качестве неподвижных<br />
фаз в этих работах использовали полидиметилсилоксан<br />
OV-101 или полиэтиленгликоль Карбовакс 20М. Приготовленные<br />
капиллярные колонки с полидиметилсилоксаном устойчиво<br />
работали при температурах до 250 0 C. Авторы этих работ подчеркивают<br />
то обстоятельство, что капилляры из плавленого чи-<br />
159
стого диоксида кремния позволяют получить колонки более высокого<br />
качества, чем капилляры из плавленого природного кварца<br />
[46].<br />
Эти сообщения подтверждены в более поздней работе Сайто<br />
[48], в которой было показано, что капилляры из плавленого диоксида<br />
кремния высшей степени чистоты (99,9999%), содержащего<br />
менее 0,0001% примесей, позволяют приготовить высокоэффективные<br />
колонки без какой-либо дезактивации поверхности<br />
силилированием или обработкой полиэтиленгликолем. Так,<br />
капиллярная колонка, приготовленная путем нанесения полисилоксановой<br />
неподвижной фазы OV-101 динамическим способом<br />
из 10%-ного раствора в хлористом метилене или гексане с последующим<br />
кондиционированием при 280-350 0 C в течение 10-<br />
40 часов имела эффективность сразу после изготовления около<br />
3300 т.т./м, а после 550 часов работы при 280 0 C - 2500 т.т./м.<br />
Капиллярные колонки из кварцевого стекла флексил, применяемого<br />
при изготовлении световодов, сравнивали с колонками<br />
из кальциевого, натриевого и боросиликатного стекол. Было показано,<br />
что колонки из кварцевого стекла вполне пригодны для<br />
разделения смесей пестицидов, стероидов и летучих производных<br />
аминокислот, то есть представителей групп соединений, наиболее<br />
трудных для газовой хроматографии [49]. Аналогичные характеристики<br />
капиллярных колонок из плавленого диоксида кремния<br />
указаны также и в работе [50].<br />
Быстрое развитие техники капиллярной хроматографии на<br />
колонках из плавленого диоксида кремния иллюстрируется тем<br />
фактом, что уже через год после появления первых публикаций<br />
об их использовании был опубликован обзор [51], обобщающий<br />
данные 34-х литературных источников. Автор этого обзора подчеркивает<br />
заметные различия колонок, изготовленных из плавленого<br />
кварца и из плавленого высокочистого диоксида кремния<br />
при хроматографии фенолов, пестицидов, наркотических средств<br />
и других веществ. Тем не менее далее в этой книге, за исключением<br />
особо оговоренных случаев, для обозначения колонок из<br />
того и другого материала будет употребляться термин "кварцевые<br />
колонки".<br />
Технология приготовления высокоэффективных капиллярных<br />
колонок в настоящее время значительно усовершенствована<br />
[52]. Описана техника получения кварцевых колонок со стенками,<br />
покрытыми не только пленками неподвижных фаз (иммобилизованными<br />
полисилоксанами и полиэтиленгликолями), но и<br />
тонкими равномерным слоями мелкозернистых твердых носителей,<br />
минеральных адсорбентов и пористых полимерных материалов<br />
[52-54].<br />
160<br />
Отказ от использования готовой цилиндрической заготовки<br />
мог бы заметно облегчить процесс вытягивания капилляров любой<br />
длины. В этом случае расплавленная стекломасса из ванны<br />
или тигля подавалась бы через концентрический мундштук непосредственно<br />
к тянущим роликам. По имеющимся данным, такая<br />
установка, которая могла бы дать возможность получения капилляров<br />
любой длины, пока еще не создана.<br />
5.3. МОДИФИКАЦИЯ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ<br />
СТЕКЛЯННЫХ И КВАРЦЕВЫХ КАПИЛЛЯРОВ<br />
Как было упомянуто выше, чистая поверхность стекла, образующаяся<br />
после вытягивания стеклянных капилляров, смачивается<br />
органическими жидкостями недостаточно. В ряде случаев<br />
уже готовая колонка после некоторого времени эксплуатации<br />
может неожиданно резко ухудшить свою разделяющую способность,<br />
что, наиболее вероятно, происходит вследствие разрушения<br />
равномерной пленки жидкой фазы. Хотя в работе [1] указано<br />
на возможность нанесения жидкой фазы - сквалана - на необработанную<br />
поверхность стекла, по данным Халаша [55], стеклянные<br />
капиллярные колонки, приготовленные без какой-либо<br />
обработки внутренней поверхности, теряют свою эффективность<br />
полностью уже через пять-семь дней эксплуатации. Этот<br />
факт подтверждается и собственным опытом работы автора.<br />
Все эти обстоятельства обусловливают необходимость той<br />
или иной предварительной обработки внутренней поверхности<br />
стеклянных капиллярных трубок до нанесения на их стенки жидкой<br />
стационарной фазы. Целью такой обработки может являться<br />
либо простое увеличение шероховатости стекла, которая, как<br />
отмечено выше, способствует более равномерному распределению<br />
жидкой фазы, либо создание некоторого промежуточного<br />
мономолекулярного или полимолекулярного слоя, прочно соединенного<br />
с поверхностью стекла и в то же время способного энергично<br />
взаимодействовать с наносимой жидкостью. Иногда в результате<br />
обработки поверхности стеклянного капилляра внутри<br />
него образуется пористый слой, который может быть использован<br />
либо для проведения газо-адсорбционных разделений, либо<br />
для нанесения жидкой фазы. Технология образования таких слоев<br />
внутри стеклянных капиллярных трубок будет изложена в следующем<br />
разделе.<br />
Влияние выщелачивания поверхности стеклянных капилляров<br />
на качество пленок неподвижных фаз изучали авторы работ [56,<br />
6. Руденко Б. А. Т. 1 161
57]. В последней работе были использованы методы Оже-спектроскопии<br />
и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Обстоятельное<br />
исследование необработанных и модифицированных разными<br />
способами стеклянных капилляров проведено Шомбургом с<br />
сотр. [58]. Эти авторы изучали адсорбционные свойства капилляров,<br />
подвергнутых травлению и выщелачиванию разными агентами,<br />
силанизации и термической обработке. Заметное улучшение<br />
эффективности стеклянных капиллярных колонок с полиэтиленгликолем<br />
4OM при разделении аминов, спиртов, тиолов и кетонов<br />
было достигнуто при обработке капилляров KF и Na 3 PO 4 [59].<br />
Коррозия поверхности стекла может протекать под действием<br />
разнообразных химических агентов, как кислых, так и щелочных<br />
[60]. Например, Вейер [61] подвергал стенки капилляров из молибденового<br />
стекла действию водяного пара. Лейбниц и Монке [62], а<br />
также Брунер и Картони [25] обрабатывали капиллярные трубки<br />
щелочами. Киселев [63] сообщал о достаточно интенсивной коррозии<br />
поверхности боросиликатного стекла под действием соляной<br />
кислоты. Практически во всех описанных случаях такого травления<br />
стекла внутри капилляра образуется слой гидратированного<br />
кремнезема толщиной не менее нескольких микрометров. Поверхность<br />
такого слоя весьма активна и для успешного использования<br />
в условиях газо-жидкостной хроматографии требует дополнительной<br />
дезактивации. По мнению ряда авторитетных специалистов,<br />
любая "мокрая" обработка стекла, в которой для травления<br />
его поверхности применяются водные растворы, неизбежно<br />
приводит к образованию сорбционных слоев, обладающих весьма<br />
высокой активностью [64], независимо от их толщины.<br />
Более успешными оказались опыты но обработке стекла газообразными<br />
корродирующими агентами. Были испытаны газообразные<br />
фтористый водород и хлористый водород, однако более<br />
удачные результаты были получены с применением парообразного<br />
корродирующего агента - метилтрифторхлорэтилового<br />
эфира CH 3 OCF 2 CHFCl [21, 65, 66]. Корродирующую активность<br />
последнего объясняют возможным отщеплением фтористого водорода,<br />
способного реагировать с входящими в состав стекла<br />
окислами металлов (натрия, калия, кальция, магния и др.), а также<br />
и с диоксидом кремния.<br />
Обработка внутренней поверхности капилляров газообразными<br />
или парообразными корродирующими агентами проводится<br />
следующим образом. Пропуская некоторое время корродирующий<br />
агент через капилляр, заполняют его внутреннюю полость.<br />
Концы капилляра запаивают, и весь капилляр выдерживают<br />
некоторое время при повышенной температуре. По охлаждении<br />
капилляр продувают сухим азотом. На подготовленную та-<br />
162<br />
ким образом поверхность можно наносить весьма разнообразные<br />
жидкие фазы, причем легко достигается высокая эффективность<br />
получающихся колонок. Высокая воспроизводимость метода позволяет<br />
наносить жидкую фазу динамическим способом с довольно<br />
значительной скоростью.<br />
В зависимости от характера обработки стеклянных и кварцевых<br />
капилляров возможно формировать на их поверхности адсорбционные<br />
центры кислотного или основного характера. Например,<br />
предложенная ранее обработка хлороводородной кислотой<br />
с последующей продувкой азотом, содержащим фтористый<br />
водород [68], ведет к образованию адсорбционных центров кислого<br />
характера, далее активно взаимодействующих с силанизирующими<br />
агентами. Липски и МакМюррей [69] детально изучили роль<br />
активных адсорбционных центров и их влияние на качество кварцевых<br />
капиллярных колонок. Эти авторы испытывали неподвижные<br />
фазы углеводородного характера (Апиезон L, сквалан и углеводород<br />
C 87 H 176 ), а также цианопропильные полисилоксаны.<br />
При определенных условиях более глубокое травление с<br />
помощью метилтрифторхлорэтилового эфира может приводить<br />
к более сильным изменениям структуры поверхности,<br />
приближая приготовленный капилляр к типу колонок с покрытыми<br />
носителем стенками, что подробнее обсуждается в<br />
следующем разделе.<br />
Поверхность стеклянных капилляров, как свежеприготовленных,<br />
так и обработанных теми или иными корродирующими<br />
агентами, может быть подвергнута химическому модифицированию<br />
с целью снижения адсорбционной и каталитической активности.<br />
Один из способов такой обработки, предложенный Киселевым<br />
с сотр. [70-73], заключался в обработке стеклянных капилляров<br />
сил авизирующими агентами типа триметилхлорсилана.<br />
В этом случае модификация поверхности проводилась одновременно<br />
с изготовлением капилляра. Стеклянную заготовку заполняли<br />
парами триметилхлорсилана, герметизировали и вытягивали<br />
ее в капилляр длиной 15-20 м. Температура печи составляла<br />
при этом 700 0 C. Таким способом были получены стабильные<br />
капиллярные колонки с силиконовым маслом в качестве<br />
жидкой фазы, обладавшие эффективностью до 500-700 т.т./м.<br />
Отмечено, что при проведении силанизации стеклянных и кварцевых<br />
капиллярных колонок весьма существенно обеспечить<br />
возможно более полное удаление следов воды с их поверхности<br />
[74-76].<br />
Силанизация протравленной поверхности стеклянных капилляров<br />
газообразными силанизирующими агентами типа<br />
смеси паров гексаметилдисилазана и триметилхлорсилана,<br />
б* 163
изученная Новотным и Тесаржиком [65], приводит к заметному<br />
увеличению эффективности колонок с полисилоксанами и<br />
к снижению качества колонок с более полярными жидкими<br />
фазами. Так, эффективность колонки с SE-30, составляющая<br />
для необработанного капилляра 1300 теоретических тарелок<br />
на 1 м, увеличивалась для силанизированного капилляра до<br />
3000 т.т./м. В случае таких жидких фаз, как дибутилфталат,<br />
Ucon-500XB и триэтаноламин, напротив, силанизация вызывала<br />
уменьшение эффективности в 1,5-4 раза. Показано, что<br />
прочность связи алкилсилильных групп с поверхностью стекла<br />
изменяется в следующем ряду [77]:<br />
CH 3 SiCl 3 > (CH 3 ) 2 SiCl 2 > (CH 3 ) 3 SiCl > (CHj) 3 SiOC 2 H 5 .<br />
Гроб [5] и Новотный и Бартле [78] изучали действие различных<br />
силанизирующих агентов и показали, что в большинстве<br />
случаев силанизация поверхности приводит к понижению ее способности<br />
к смачиванию. Не были успешными при этом и опыты<br />
с применением аллилтрихлорсилана и фенилтрихлорсилана. Однако,<br />
если после обработки поверхности стекла аллилтрихлорсиланом<br />
пропускать через колонку сухой кислород при повышенной<br />
температуре, то после окисления аллильных групп стекло<br />
приобретает способность хорошо смачиваться достаточно полярными<br />
жидкими фазами. В результате были получены довольно<br />
эффективные капиллярные колонки.<br />
Действие силанизирующих агентов по существу, сводится к<br />
образованию связей Si-O-Si в местах присоединения силанизирующих<br />
агентов к силанольным группам. Нежелательные центры<br />
адсорбционной активности исчезают при образовании связей<br />
Si-O-C или Si-C. Так, описан и подробно изучен процесс модификации<br />
поверхности силикатов действием спиртов [79-82]. Возникающая<br />
при этом щеткообразная ориентация алкильных<br />
групп успешно используется при получении так называемых<br />
"щеточных" сорбентов, весьма важных для жидкостной хроматографии.<br />
Процесс присоединения алкоксильных групп облегчается<br />
предварительным хлорированием поверхности силикатов действием<br />
хлористого тионила [83].<br />
S=Si-OH + SOCl 2 -> sSi-Cl + SO 2 + HCl,<br />
=Si-Cl + R-OH -» sSi-O-R + HCl.<br />
Использование такого принципа в капиллярной хроматографии<br />
показало, что после обработки поверхности капилляров бензиловым,<br />
трихлорэтиловым и трифторэтиловым спиртами можно<br />
приготовить очень эффективные колонки, что свидетельствует о<br />
высокой степени равномерности наносимой пленки жидкости<br />
164<br />
[18]. Однако полученные капиллярные колонки оказались термически<br />
нестабильными и малоустойчивыми к действию влаги,<br />
видимо вследствие гидролиза эфирных связей.<br />
Более устойчивые системы могут быть получены, если модифицирующие<br />
алкильные группы будут присоединены непосредственно<br />
к атомам кремния. Это можно осуществить взаимодействием<br />
хлорированной поверхности стекла и металлоорганических<br />
производных, например литийорганических соединений или реагентов<br />
Гриньяра [84]. Реакция идет по схеме:<br />
=sSi-Cl + Li-R -> Si-R + LiCl,<br />
S=Si-Cl + ClMg-R -» =Si-R + MgCl 2 .<br />
Такой способ модификации был испытан на примере обработки<br />
стеклянных капилляров фениллитием и бутиллитием [18].<br />
При этом были получены хорошие результаты, однако выбор<br />
доступных металлоорганических соединений в настоящее время<br />
ограничен.<br />
Дезактивацию внутренней поверхности стеклянных капилляров<br />
путем исчерпывающего силилирования изучали в работах<br />
[85-87]. В работах [85] и [86] были подробно рассмотрены параметры<br />
этого процесса и сопоставлены результаты силилирования<br />
с применением различных силилирующих агентов, в том числе<br />
гексаметилдисилазана, дифенилтетраметилдисилазана, тетрафенилдиметилдисилазана<br />
и трифенилсилиламина. Было показано,<br />
что улучшение смачиваемости стеклянной поверхности полисилоксановыми<br />
неподвижными фазами (OV-I, SE-30, SE-54, OV-73<br />
и др.) достигается при связывании с поверхностью стекла фрагментов,<br />
содержащих фенильные группы.<br />
В работе [87] было показано, что инертные и термостойкие<br />
стеклянные капиллярные колонки с полисилоксановыми неподвижными<br />
фазами могут быть получены путем высокотемпературного<br />
силилирования. Кроме того, стеклянные колонки с внутренним<br />
диаметром 50 мкм, обладающие высокой эффективностью<br />
и хорошей инертностью готовили путем травления 15%-ной<br />
хлороводородной кислотой в течение 16 часов при 150 0 C [88].<br />
После процедуры травления колонки промывали IM хлороводородной<br />
кислотой, затем дистиллированной водой и метанолом.<br />
Далее поверхность капилляров дегидратировали путем нагревания<br />
в течение 1 часа при 18O 0 C в токе азота, заполняли колонки<br />
жидкой смесью пентана с гексаметилдисилазаном и дифенилтетраметилдисилазаном<br />
(2 : 1 : 1) и нагревали 6 часов при 400 0 C.<br />
После этого капилляры промывали пентаном и метанолом, высушивали<br />
в токе сухого азота и наносили неподвижную фазу статическим<br />
способом. Третлер и Прево [89] сообщают о получении<br />
165
стеклянных капиллярных колонок хорошего качества путем травления<br />
капилляров аммиаком при повышенной температуре с последующим<br />
исчерпывающим силилированием.<br />
Дезактивация поверхности капилляров путем обработки алкилполисилоксанами<br />
применима и к стеклянным, и к кварцевым<br />
колонкам. С использованием в качестве неподвижных фаз полиэтиленгликоля<br />
Карбовакс 2OM и полисилоксанов OV-I и OV-IOl,<br />
в работе [90] были получены высокоэффективные колонки,<br />
обеспечивающие хорошее разделение таких высокополярных веществ<br />
как свободные алифатические кислоты, диолы, фенолы,<br />
алифатические и ароматические амины. Для кварцевых капилляров<br />
рекомендуется следующая последовательность операций.<br />
Капилляры в течение 30 мин промывают водой с 2% HF и 2%<br />
HNO 3 . Затем через колонку в течение небольшого времени пропускают<br />
2%-ный раствор хлороводородной кислоты и для дегидратации<br />
поверхности колонку нагревают 3 часа при 280 0 C в токе<br />
азота. Затем колонку заполняют раствором полисилоксана<br />
OV-I в пентане (0,6%), заплавляют ее концы, нагревают до<br />
420 0 C со скоростью 12 град/мин и выдерживают 1 час при этой<br />
температуре. После охлаждения открывают концы, промывают<br />
колонку пентаном и наносят желаемую неподвижную фазу статическим<br />
методом.<br />
Различные возможности высокотемпературного силилирования<br />
рассмотрены в обзоре [91], охватывающем более 100 литературных<br />
источников. В этом обзоре сделан вывод о том, что одним<br />
из наиболее хорошо воспроизводимых способов силанизации<br />
кварцевых и стеклянных капиллярных колонок является обработка<br />
их октаметилциклотетрасилоксаном (агент D4) при 400 0 C.<br />
Процесс дезактивации стеклянных капиллярных колонок для<br />
разделения спиртов рассмотрен и в работе [92], а в работе [93]<br />
описана техника дезактивации стеклянных колонок смесями триметилхлорсилана<br />
с гексаметилдисилазаном или с Ы,0-бис-(триметилсилил)-трифторацетамидом.<br />
Отмечено, что второй способ<br />
позволяет получать более воспроизводимые результаты. Описан<br />
также способ предварительной обработки стенок стеклянных капилляров<br />
циклическими метил-3,3,3-трифторпропилсилоксанами<br />
[94]. При этом были получены высокоэффективные стеклянные<br />
капиллярные колонки, позволявшие успешно разделять при<br />
температурах до 275 0 C смеси углеводородов, спиртов, альдегидов,<br />
фенолов, аминов и сложных эфиров.<br />
В качестве силилирующего агента предложено также применять<br />
Силанокс - водоотталкивающее средство на силиконовой<br />
основе [95, 96]. Указано, что такой дезактивирующий агент позволяет<br />
приготовить высокоэффективные колонки с полярными<br />
166<br />
неподвижными фазами, пригодные для разделения летучих производных<br />
аминокислот.<br />
Мадани, Шамбаз и сотр. [97, 98] описали процесс приготовления<br />
высокоэффективных капиллярных колонок с предварительным<br />
покрытием их внутренней поверхности олигомерами различных<br />
хлорсиланов. Капиллярные колонки, приготовленные<br />
этими авторами, были с успехом применены для анализа смесей<br />
стероидных гормонов.<br />
Значительный материал по дезактивации поверхности стеклянных<br />
капиллярных колонок действием разнообразных силилирующих<br />
агентов обобщен в статьях [99, 100]. Позже Боддинг и<br />
Вассинк описали процесс дезактивации поверхности стеклянных<br />
капилляров путем динамического парофазного силилирования<br />
[101]. Силилирующим агентом в этой работе служила смесь<br />
N-триметилсилиламина, М,0-бис-(триметилсилил)-ацетамида и<br />
гексаметилдисилазана.<br />
Шомбург и сотр. [102] предложили дезактивировать внутреннюю<br />
поверхность капиллярных колонок летучими продуктами<br />
деградации полисилоксановых неподвижных фаз.<br />
Кроме рассмотренных выше силильных дезактивирующих<br />
агентов, для увеличения инертности стеклянных и кварцевых капилляров<br />
использовали полиэтиленгликоли с молекулярной массой<br />
от 2-3 тыс. до 20-40 тыс. а.е.м. и выше. В публикациях<br />
[103-107] рассмотрено применение тонких пленок полиэтиленгликоля<br />
2OM для дезактивации стеклянных капилляров, а в работе<br />
[108] предложено дезактивировать колонки газообразными<br />
продуктами испарения (или термической деградации!) полиэтиленгликоля<br />
2OM. Полученные таким образом капиллярные колонки<br />
с успехом применялись для анализа смесей полициклических<br />
ароматических углеводородов и пестицидов при контроле<br />
загрязнений окружающей среды.<br />
Описан процесс дезактивации поверхности кварцевых капилляров<br />
путем этерификации поверхностных кислотных групп<br />
спиртами [109] с последующим нанесением специально синтезированных<br />
полисилоксановых неподвижных фаз с высокой молекулярной<br />
массой [ПО].<br />
Аррендейл и сотр. [111] применяли для дезактивации поверхности<br />
капилляров очень высокомолекулярный аналог полиэтиленгликоля<br />
с коммерческим названием Суперокс TM. Этот препарат,<br />
с одной стороны, обеспечивал возможность успешного нанесения<br />
полярных неподвижных фаз, а, с другой стороны, мог и<br />
сам быть использован в качестве такой неподвижной фазы [112].<br />
В качестве дезактивирующих агентов для приготовления стеклянных<br />
и кварцевых капиллярных колонок было также предло-<br />
167
жено применять полидентатные фосфониевые соли [113]. При<br />
этом показано, что фосфониевые соли позволяют увеличить<br />
верхнюю рабочую температуру стеклянных капиллярных колонок<br />
и улучшают их эффективность.<br />
Описан процесс модификации поверхности стеклянных капилляров,<br />
изготовленных из мягкого натриевого стекла, путем<br />
обработки их водяным паром. Наилучшие результаты были получены,<br />
когда после обработки водяным паром через капилляр<br />
пропускали фторуглеродный препарат Флуарад FC-431 [114].<br />
При изготовлении стеклянных капиллярных колонок для<br />
анализа серосодержащих соединений (сероводорода, сероокиси<br />
углерода, метантиола, сероуглерода, диметилсульфида и диметилдисульфида)<br />
проверяли эффективность 25-ти различных дезактивирующих<br />
агентов [115]. Лучшие результаты были получены<br />
при обработке стеклянных капилляров концентрированной<br />
азотной кислотой.<br />
Изготовление металлических и стеклянных капиллярных колонок<br />
облегчается при введении в неподвижную фазу добавок<br />
поверхностно-активных веществ или иных агентов, способных<br />
образовать ориентированные мономолекулярные слои. Обычно<br />
такие соединения имеют достаточно длинную алифатическую<br />
цепь (больше семи атомов углерода) и полярную функциональную<br />
группу, способную активно взаимодействовать с полярными<br />
группами поверхности или несущими электрический заряд центрами<br />
на ней [56, 57]. В качестве таких добавок при нанесении неполярных<br />
жидких фаз типа Апиезона применяли нонилфеноксиполиэтоксиэтанол<br />
и триоктадецилметиламмоний бромид [116,<br />
117]. Гроб [18] предложил использовать в качестве таких добавок<br />
а,со-бифункциональные соединения, несущие на одном конце катионоидную<br />
группу, способную взаимодействовать с группами<br />
^SiO-. На другом конце цепи должна находиться группа, способная<br />
к энергичному взаимодействию с жидкой фазой. Такой метод<br />
не представляется перспективным, так как можно ожидать, что<br />
ориентировка молекул в таких слоях будет легко нарушаться под<br />
влиянием других веществ, способных к активной адсорбции на<br />
поверхности стекла. По той же причине трудно ожидать также<br />
сколько-нибудь значительной термостойкости таких колонок.<br />
Как и в случае капилляров из металлов и пластиков, неблагоприятные<br />
свойства стекла, затрудняющие нанесение жидкой пленки,<br />
могут быть преодолены предварительным покрытием внутренней<br />
поверхности стеклянных капиллярных трубок промежуточным<br />
слоем какого-либо материала, способного хорошо смачиваться<br />
применяемыми жидкими фазами. Такие слои, превышающие<br />
по толщине мономолекулярный слой, должны хорошо удер-<br />
168<br />
живаться стеклом и в то же время хорошо смачиваться наносимой<br />
жидкой фазой, как, например в работе [120]. В случае необходимости<br />
для улучшения способности к смачиванию эти слои могут подвергаться<br />
дополнительной физической или химической обработке.<br />
Следует отметить, что колонки со сформированным на их внутренней<br />
поверхности пористым слоем или со стенками, покрытыми<br />
носителем, к такому типу капиллярных колонок не относятся.<br />
Промежуточный слой может быть выполнен из уже готового<br />
материала или осажден на стенках трубки в результате какого-либо<br />
химического процесса. Типичным примером являются<br />
слои из полибутадиена и политетрафторэтилена, полученные полимеризацией<br />
соответствующих мономеров в опытах Гроба [18].<br />
Вначале на необработанную поверхность стеклянных капилляров<br />
наносили динамическим способом инициатор полимеризации.<br />
Затем через колонку в токе азота продували газообразный<br />
мономер. Полимеризация происходила в течение нескольких часов,<br />
причем толщина полимерного слоя определялась длительностью<br />
и температурой процесса. После нанесения жидкой фазы<br />
динамическим способом были получены высокоэффективные<br />
колонки с исключительно низкой способностью к вторичным адсорбционным<br />
взаимодействиям, что позволяло добиться полной<br />
симметрии пиков даже весьма высококипящих веществ (рис. 37).<br />
Промежуточный слой из политетрафторэтилена остается достаточно<br />
стабильным, до 200 0 C и выше. Полибутадиеновый слой<br />
разрушается при более низкой температуре, что влечет за собой<br />
потерю разделяющей способности колонки. Заслуживает внимания<br />
принципиальная возможность формирования таким путем<br />
слоя полимерной неподвижной фазы непосредственно на поверхности<br />
капиллярной трубки.<br />
Опыты по нанесению полимерных неподвижных фаз (полисилоксанов<br />
и полиакрилонитрила) на твердые носители путем<br />
полимеризации газообразных мономеров на их поверхности уже<br />
были описаны ранее [121-124], однако распространить этот способ<br />
на капиллярные колонки не удалось.<br />
Одним из важных способов формирования промежуточных<br />
слоев является карбонизация - покрытие стенок капилляров слоем<br />
угля. Уголь, осаждающийся на поверхности стекла при различных<br />
пиролитических процессах, легко смачивается многими<br />
органическими жидкостями и прочно удерживается на поверхности<br />
стекла. Измерения углов смачивания ряда органических жидкостей<br />
[125] позволили высказать предположение, что главной<br />
причиной, облегчающей нанесение равномерной пленки жидкой<br />
фазы на покрытую углем поверхность стекла, является повышенная<br />
шероховатость. Однако возможно, что в этом случае<br />
169
ю<br />
о<br />
а<br />
«<br />
о<br />
а<br />
аз<br />
ч<br />
!<br />
I<br />
Время<br />
Рис. 37. Хроматограммы смесей тридекана (/) и тетрадекана (2). Стеклянные<br />
капиллярные колонки длиной 15 м и диаметром 0,27 мм со стенками,<br />
покрытыми промежуточным слоем политрифторхлорэтилена,<br />
жидкая фаза Апиезон К; температура колонки 115 0 C, давление газа-носителя<br />
(водорода) 0,2 атм<br />
а - полимеризация трифторхлорэтилена в течение 1 дня при 16O 0 C,<br />
ЭЧП = 19; 6- полимеризация в течение 2 дней при 200°С, ЭЧП = 28,5<br />
жидкая фаза в основном находится в контакте с углем [18], так<br />
что колонка по своей структуре приближается к колонкам с покрытыми<br />
твердым носителем стенками.<br />
Процедуру нанесения углеродных слоев на поверхность стеклянных<br />
капилляров разработал Гроб [18, 126], выяснивший, что<br />
наилучшие результаты получаются при медленном и равномерном<br />
нагревании запаянных стеклянных капилляров, заполненных<br />
парами хлористого или бромистого метилена. Описаны также<br />
варианты процесса карбонизации, в которых через внутреннюю<br />
трубку стеклянной заготовки в процессе вытягивания капилляра<br />
подавали слабый ток азота, содержащего пары хлористого<br />
или бромистого метилена. Толщина покрытия в этом случае<br />
зависела от концентрации паров органических веществ и скорости<br />
азота [125].<br />
Нанесение угля на стенки капилляра осуществляется довольно<br />
трудно, так как качество получающегося слоя во многом определяется<br />
равномерностью нагрева капилляра и отсутствием<br />
170<br />
температурных градиентов в используемых для этой цели печах.<br />
Метод образования угольного слоя одновременно с вытягиванием<br />
капилляра менее чувствителен к малым изменениям экспериментальных<br />
условий, однако в обоих случаях приготовленные<br />
слои до нанесения жидкой фазы необходимо тщательно оберегать<br />
от влаги. Хотя нанесение промежуточных угольных слоев и<br />
позволяет в ряде случаев получать высокоэффективные колонки<br />
с довольно большим числом жидких фаз, все же этот метод далеко<br />
не решает проблемы надежного и воспроизводимого приготовления<br />
стеклянных капиллярных колонок.<br />
Кроме углеродных покрытий, предложено дезактивировать<br />
внутреннюю поверхность стеклянных и кварцевых капилляров<br />
пленками из элементного кремния [127]. Для этой цели капилляр<br />
заполняли силаном SiH 4 , запаивали концы и нагревали в течение<br />
нескольких часов при температуре 200-250 0 C. В качестве неподвижных<br />
фаз использовали полидиметилсилоксан SE-30 и полиэфир<br />
FFAP. Были получены высокоэффективные колонки, с успехом<br />
использованные для разделения смесей, содержащих легкие<br />
углеводороды, спирты, уксусную кислоту, пиридин, 2-октанон,<br />
октанол-1, нафталин, 2,6-диметиланилин, 2,6-диметилфенол<br />
и другие соединения.<br />
Среди способов дезактивации поверхности стеклянных и<br />
кварцевых капилляров следует отметить предложенную в работе<br />
[128] обработку капилляров раствором KHF 2 , а также введение<br />
добавок различных солей в неподвижную фазу в процессе ее нанесения<br />
[129].<br />
Описан также способ дезактивации стеклянных капиллярных<br />
колонок посредством высокотемпературной обработки смесью<br />
диоксида серы и кислорода [130]. Авторы отмечают, что наилучшие<br />
капиллярные колонки получались, когда после обработки<br />
SO 2 их дополнительно дезактивировали полиэтиленгликолем и<br />
покрывали полисилоксановой неподвижной фазой SP-2100.<br />
Для оценки качества полученных после дезактивации поверхности<br />
стеклянных и кварцевых капилляров предложено применять<br />
флуоресцирующий в УФ-свете пиррометановый краситель<br />
(PMBF 2) [131]. При пропускании раствора этого красителя через<br />
дезактивированный капилляр его молекулы адсорбируются на<br />
активных сорбционных центрах, которые при этом становятся<br />
ясно видимыми в УФ-свете. В работе [131] показано, что поверхность<br />
стекла, обработанная содержащим цианопропильные группы<br />
высокополярным полисилоксаном OV-225, менее инертна,<br />
чем поверхность, обработанная диметилдихлорсиланом. Важность<br />
предварительной дезактивации поверхности при изготовлении<br />
стеклянных и кварцевых капиллярных колонок отмечена<br />
171
также и в работах [132-134], где указано, что предварительное<br />
дезактивирование существенно улучшает хроматографические<br />
характеристики колонок, увеличивает продолжительность их работы<br />
и повышает их термическую устойчивость. Это особенно<br />
важно при анализе смесей термически малоустойчивых соединений,<br />
например, таких, как труднолетучие полициклические ароматические<br />
углеводороды или термолабильные гербициды из<br />
группы фенилкарбаматов.<br />
5.4. ТЕХНИКА НАНЕСЕНИЯ НЕПОДВИЖНЫХ ФАЗ<br />
НА СТЕКЛЯННЫЕ И КВАРЦЕВЫЕ<br />
КАПИЛЛЯРНЫЕ КОЛОНКИ<br />
Для нанесения неподвижных фаз на стенки стеклянных капилляров<br />
сначала использовали динамический метод со всеми<br />
присущими ему недостатками. Приемы нанесения неподвижных<br />
фаз на стенки стеклянных капиллярных трубок в большинстве<br />
своем не отличаются от описанных в гл. 4. Важным нововведением,<br />
облегчающим получение высокоэффективных колонок, является<br />
применение ртути для формирования равномерной пленки<br />
раствора неподвижной фазы [135-137]. Каплю ртути, образующую<br />
в капилляре столбик длиной примерно 10 см, вводят в колонку<br />
сразу после раствора неподвижной фазы и прогоняют через<br />
нее давлением инертного газа. Таким путем удается получать<br />
столь же эффективные колонки как и при использовании более<br />
длительного статического метода.<br />
Александер и Липски подробно изучили ряд факторов, влияющих<br />
на толщину пленки неподвижной фазы в стеклянных капиллярных<br />
колонках, приготовленных с применением приема<br />
ртутного поршня [138]. Способ определения средней толщины<br />
пленки неподвижной фазы, нанесенной динамическим методом<br />
на поверхность стеклянных капиллярных колонок, описан в работе<br />
Бломберга [139].<br />
Использование статического способа в его первоначальной<br />
форме [140] в случае стеклянных капилляров невозможно вследствие<br />
того, что нельзя изменять спиральную форму, приданную<br />
капилляру при его изготовлении. Первым вариантом этого способа,<br />
применимым в случае стеклянных капилляров, явилось предложение<br />
Буше и Верцеле [141]. Заполнив стеклянный капилляр<br />
раствором жидкой фазы, закрывают один из его концов, а второй<br />
соединяют с вакуум-насосом и удаляют растворитель испарением<br />
172<br />
в вакууме. Этот способ оказался весьма длительным, и удаление<br />
растворителя таким путем занимало несколько дней. Тем не менее,<br />
были получены капиллярные колонки с высокой эффективностью<br />
до 60-70 тыс. т.т. Длительность этого метода в известной<br />
мере компенсировалась возможностью подвергать действию вакуума<br />
несколько капиллярных колонок одновременно.<br />
Интересный вариант статического способа, применимый для<br />
приготовления стеклянных капиллярных колонок, предложили<br />
Мистрюков и Илькова [142-144]. Заполненный 1-2%-ным раствором<br />
жидкой фазы капилляр с помощью специального приспособления<br />
без изменения его формы как бы "ввинчивается" во<br />
внутреннюю полость термостата, нагретого выше температуры<br />
кипения растворителя (рис. 38). Конец капилляра, находящийся в<br />
процессе нанесения жидкой фазы вне термостата, запаивается, а<br />
для более равномерного испарения растворителя служит дополнительный<br />
миниатюрный нагреватель с температурой на<br />
30-40 0 C выше его температуры кипения. Температура внутри<br />
термостата поддерживается на 10-20 0 C выше температуры кипения<br />
растворителя, а скорость вращения подающего валика составляет<br />
1-2 об/мин. После испарения растворителя на стенках капилляра<br />
остается равномерная пленка жидкой фазы, обеспечивающая<br />
эффективность колонок, равную 700-1000 т.т./м. Позже<br />
аналогичные системы были описаны и другими авторами [145].<br />
Этот способ нанесения неподвижной фазы на стенки стеклянных<br />
и кварцевых капилляров отличается достаточно высокой воспроизводимостью.<br />
В качестве примера на рис. 39 приведены хроматограммы<br />
смесей гетероциклических соединений, полученные на<br />
приготовленных таким способом высокоэффективных колонках.<br />
До заполнения раствором жидкой фазы капилляр обрабатывают<br />
3-5%-ным раствором плавиковой кислоты, нейтрализуют<br />
аммиаком и тщательно промывают водой. Позже описаны и другие<br />
сходные способы [146].<br />
При осуществлении процесса статического нанесения неподвижной<br />
фазы на стенки стеклянных и кварцевых капиллярных<br />
колонок известные сложности связаны с необходимостью надежной<br />
герметизации одного из концов обрабатываемого капилляра<br />
в методе [141] (в частности, его холодного конца в методе [142]).<br />
Первоначально было предложено герметизировать концы капиллярной<br />
трубки с помощью отрезка трубки из сжимающегося<br />
фторопласта, закрытого кусочком запаянного стеклянного капилляра<br />
[147]. Позже было предложено герметизировать концы<br />
капилляров с помощью пробки из силикатного клея [148] или путем<br />
погружения герметизируемого конца капилляра в расплавленный<br />
воск или парафин [149, 150].<br />
173
последней работе по утверждению авторов и дезактивацию поверхности<br />
и нанесение неподвижной фазы выполняли в одну стадию,<br />
заполняя колонку раствором, содержащим сразу и дезактиватор<br />
и неподвижную фазу - полиметилфенилсилоксан, содержащий<br />
5% фенильных групп. Подготовку поверхности стеклянных<br />
капиллярных колонок диаметром 0,3 мм проводили согласно<br />
рекомендациям работы [155]. При расчетной толщине пленки неподвижной<br />
фазы 0,15 мкм были получены капиллярные колонки<br />
со следующими довольно высокими значениями ЭЧП:<br />
л<br />
ID<br />
О<br />
D.<br />
С<br />
К<br />
О<br />
а<br />
CQ<br />
L<br />
\о<br />
о<br />
а<br />
в<br />
Рис. 38. Приспособление для нанесения<br />
жидкой фазы на стеклянные<br />
капилляры статическим способом<br />
/ - электромотор; 2 - валик;<br />
J - шайбы; 4 - капилляр; 5 - ролик;<br />
6 - термостат; 7 - задний подшипник;<br />
8 - предохранительная спираль<br />
Рис. 39. Хроматограммы изомерных<br />
гетероциклических соединений,<br />
полученные на капиллярных<br />
колонках с полисилоксаном<br />
а - цис и транс- изомеры декагидрохинолина;<br />
б - цис- и транс-то-<br />
0 5 0 5 Время, мин меры пергидроиндола<br />
Капиллярные колонки весьма высокого качества получали<br />
статическим способом с предварительной дезактивацией поверхности<br />
путем пропускания через капилляр раствора дезактивирующего<br />
агента. Предложена следующая методика приготовления<br />
стеклянных капиллярных колонок с полифенилсилоксановыми<br />
неподвижными фазами [151]. Через капилляр, подготовленный<br />
как описано в работе [152J, пропускали раствор гексафенилциклотрисилоксана<br />
в этилацетате со скоростью движения фронта<br />
жидкости 4 см/сек. Затем колонку продували сухим азотом, нагревали<br />
до 400 0 C со скоростью 5 град/мин и выдерживали 15 часов<br />
при этой температуре. После этого статическим способом наносили<br />
полиметилфенилсилоксановые неподвижные фазы<br />
OV-25, OV-17, OV-1701 из растворов в хлористом метилене. Таким<br />
путем были получены колонки с весьма высокой эффективностью<br />
(ВЭТТ всего 0,21-0,46 мм).<br />
О приготовлении колонок весьма высокого качества с полифенилсилоксанами<br />
сообщают авторы работ [153, 154], причем в<br />
174<br />
SE-52 38<br />
8Е-52 + ПЭГ-20М(3:1) 34<br />
ПЭГ-20М 25<br />
Приготовление стеклянных капиллярных колонок специально<br />
для анализа N-нитрозаминов описано в работе Аррендейла и<br />
сотр. [156], а в исследовании Гудвина [157] детально разобран целый<br />
ряд технических сложностей, возникающих при нанесении<br />
неполярных полисилоксановых неподвижных фаз на стенки стеклянных<br />
капиллярных колонок.<br />
Большинство рекомендаций по статическому способу нанесения<br />
неподвижных фаз, имеющихся в литературе, относятся к стеклянным<br />
капиллярным колонкам. Сведения о специфических способах<br />
приготовления кварцевых колонок значительно более скудны,<br />
что легко объяснимо интересами современных производителей таких<br />
колонок о сохранении коммерческой тайны. Однако совершенно<br />
ясно, что многие приемы подготовки поверхности, разработанные<br />
для стеклянных капилляров, применимы и к кварцевым колонкам.<br />
Кроме того, их большая гибкость и термостойкость делают<br />
возможным осуществление процесса статического нанесения неподвижной<br />
фазы по Халашу и Хорвату [140] путем постепенного<br />
ввода капилляра, заполненного раствором неподвижной фазы, в<br />
термостат, нагретый выше температуры кипения растворителя.<br />
Воспроизводимость статического метода достаточно высока,<br />
а затраты времени на испарение растворителя не превышают<br />
1,5-3 часов. Важным преимуществом метода является возможность<br />
нанесения высокомолекулярных термостойких неподвижных<br />
фаз, дающих очень вязкие растворы, которые затруднительно<br />
продавить через капилляр при использовании динамического<br />
метода. Тем не менее способ нанесения жидкой фазы на стенки<br />
стеклянных и кварцевых капилляров, непокрытых каким-либо<br />
носителем или пористым слоем, предложенный Буше и Верцеле<br />
[117], является в настоящее время, по-видимому, наиболее надежным<br />
и воспроизводимым.<br />
175
Некоторые затруднения, связанные с необходимостью иметь<br />
специальное оборудование для осуществления такого статического<br />
способа, можно преодолеть, применяя те или иные способы<br />
нанесения на стенки капилляра слоев носителей или адсорбентов,<br />
либо используя методы формирования таких слоев непосредственно<br />
на внутренней поверхности капилляра из материала<br />
его стенок. Эти приемы изложены в следующем разделе.<br />
5.5. СТЕКЛЯННЫЕ И КВАРЦЕВЫЕ<br />
КАПИЛЛЯРНЫЕ КОЛОНКИ СО СТЕНКАМИ,<br />
ПОКРЫТЫМИ ТВЕРДЫМИ НОСИТЕЛЯМИ<br />
И АДСОРБЕНТАМИ<br />
Кроме рассмотренных в предыдущем разделе тонких промежуточных<br />
слоев или мономолекулярных пленок, целиком покрывающих<br />
внутреннюю поверхность стеклянного капилляра, для получения<br />
высокоэффективных капиллярных колонок с успехом используют<br />
слои большей толщины, составленные из нанесенных на поверхность<br />
дискретных частиц или из пористого материала, сформированного<br />
путем воздействия теми или иными агентами на стенки<br />
стеклянных или кварцевых капилляров. Материал таких слоев<br />
может выступать в роли активных адсорбентов или выполнять<br />
функции инертного твердого носителя, обеспечивающего большую<br />
величину покрытой жидкой фазой поверхности при малой<br />
толщине пленки, что весьма существенно для интенсификации процессов<br />
массообмена. Во многих случаях наличие слоя инертных частиц<br />
малого размера, фиксированных на поверхности стеклянных<br />
капиллярных трубок, резко увеличивает устойчивость колонки к<br />
действию высоких температур. При наличии таких слоев часто значительно<br />
облегчается процесс нанесения жидкой фазы, улучшается<br />
его воспроизводимость, увеличивается сорбционная емкость колонки<br />
и длительность ее стабильной работы [158].<br />
Потенциальные преимущества полых капиллярных колонок<br />
с пористым слоем на стенках предсказывались еще в самых первых<br />
работах первооткрывателя капиллярной хроматографии Голея<br />
[159]. Первые опыты по формированию на внутренней поверхности<br />
стеклянных капилляров адсорбционного слоя были<br />
проведены Монке и Заффертом [23, 159]. Капилляры из иенского<br />
стекла заполняли целиком 12-17%-ным водным раствором аммиака,<br />
запаивали и нагревали 30 часов при 170-180 0 C. Затем<br />
вскрывали капилляр, удаляли избыток раствора и, медленно про-<br />
176<br />
дувая инертный газ, нагревали до 180 0 C для удаления следов воды<br />
и аммиака. Как показали микроскопические исследования, в<br />
зависимости от условий обработки на поверхности капилляра образуется<br />
слой силикагеля толщиной 5-20 мкм. Такая природа<br />
этого слоя была подтверждена также методом ИК-спектроскопии.<br />
Обработанная таким образом колонка длиной 80 м позволила<br />
осуществить один из наиболее любопытных анализов во всей<br />
истории газовой хроматографии - разделить ядерно-спиновые<br />
изомеры изотопов водорода (рис. 40).<br />
Как показали Лейбниц и Монке [161], на стенки обработанных<br />
таким образом капилляров можно нанести жидкие фазы, в том<br />
числе достаточно полярные, и получить довольно высокоэффективные<br />
колонки для газо-жидкостной хроматографии. Благодаря<br />
применению менее концентрированного раствора аммиака в этих<br />
опытах, получали более тонкие слои силикагеля, толщиной около<br />
5 мкм. При нанесении на внутреннюю поверхность такого капилляра<br />
длиной 8 м динамическим способом полиэтиленгликоля 200<br />
из 0,5%-ного раствора была получена колонка с эффективностью<br />
около 1500 т.т./м. Аналогичным способом готовили хорошие адсорбционные<br />
колонки обработкой капилляров из молибденового<br />
стекла дистиллированной водой при 71-74°С в течение 2,5 часов<br />
[162]. Эти колонки, позволившие анализировать углеводороды до<br />
С ]5 и выше, по-существу, получались в результате несколько более<br />
глубокого проведения процесса поверхностной коррозии стекла<br />
с целью повышения его способности смачиваться органическими<br />
жидкостями. Аналогичные результаты были получены Брунером<br />
и Картони [25] при обработке стекла гидроксидом натрия и<br />
Киселевым с сотр. [72, 163] при обработке стеклянных трубок хлороводородной<br />
кислотой.<br />
В большинстве случаев такие колонки используют для газоадсорбционных<br />
разделений и иногда получают весьма интересные<br />
результаты (см., например, рис. 41) [24].<br />
Влияние травления газообразным хлористым водородом на<br />
качество получаемых капиллярных колонок при разделении различных<br />
производных дифенила изучали Крупчик и сотр. [164].<br />
Эти авторы использовали колонки из мягкого известково-натриевого<br />
стекла. Неподвижными фазами служили полиэтиленгликоль<br />
карбовакс 2OM и полисилокеан OV-101.<br />
Кэзер в своей работе по изучению веществ, обусловливающих<br />
запах, сравнивал различные способы дезактивации поверхности<br />
стеклянных капилляров и нашел, что наилучшим способом<br />
для достижения этой цели является травление капилляров сухим<br />
хлористым водородом [165]. Как показано в этой и последующих<br />
работах [166-168], при действии газообразного хлористого водо-<br />
177
9 Время, мин<br />
Рис. 40. Разделение ядерно-спиновых изомеров и изотопов водорода. Адсорбционная<br />
стеклянная капиллярная колонка длиной 80 м. Температура<br />
77,4 К, газ-носитель неон<br />
/ - гелий; 2 - пяря-протий; 3 - орто-протий; 4 - дейтерид протия; 5 - ортодейтерий;<br />
6 - иара-дейтерий<br />
12СНд 1:, СН.<br />
CHVT<br />
340<br />
Время, мин<br />
Рис. 41. Разделение метанов с разным изотопным составом. Стеклянная<br />
капиллярная колонка, протравленная NaOH, длиной 47 м и диаметром<br />
0,22 мм, скорость газа-носителя - смеси азота и гелия (7:3) 1 мл/мин, давление<br />
на входе в колонку 210 мм рт. ст.<br />
рода поверхность стекла покрывается мельчайшими частицами<br />
хлорида натрия, хорошо удерживающими пленку неподвижной<br />
фазы (рис. 42). Бадинг и сотр. [169] рекомендовали для образования<br />
плотного слоя субмикронных частиц хлорида натрия на поверхности<br />
стекла проводить травление в течение 1-2 часов при<br />
300 0 C и сразу после этой процедуры удалять травящий агент путем<br />
вакуумирования капилляра.<br />
178<br />
Рис. 42. Микрофотографии внутренней поверхности стеклянных капиллярных<br />
колонок с кристаллами хлорида натрия, полученными при травлении<br />
хлористым водородом с последующей обработкой золем хлорида натрия<br />
(а) и нанесенная пленка полисилоксановой неподвижной фазы (б)<br />
Описаны также различные способы прямого нанесения частиц<br />
хлорида натрия на стенки стеклянных капилляров. В частности,<br />
хлорид натрия может быть осажден на стенках капиллярных<br />
колонок пропусканием через них его золей в органических растворителях<br />
с последующим высушиванием и перекристаллизацией<br />
при 350 0 C в течение 1 часа. Слои хлорида натрия достаточно<br />
равномерны и позволяют с хорошей воспроизводимостью получать<br />
капиллярные колонки с эффективностью более 2700 т.т./м<br />
(рис. 43) [168]. Способы приготовления капиллярных колонок с<br />
нанесенным на стенки хлоридом натрия предложены также Baтанабе<br />
с сотр. [170, 171]. Эти авторы рассматривают хлорид натрия<br />
как твердый носитель, на который можно наносить полисилоксановые<br />
неподвижные фазы, например, такие, как SF-96 и<br />
OV-101. Сравнение таких колонок с аналогичными колонками,<br />
но не обработанными хлоридом натрия, показало серьезное преимущество<br />
первых как по эффективности, так и по нагрузочным<br />
характеристикам и по термической устойчивости.<br />
Стеклянные капиллярные колонки с поверхностью, покрытой<br />
дендритными кристаллами хлорида натрия, получали путем<br />
пропускания через капилляры водного раствора этой соли с добавкой<br />
небольшого количества поверхностно-активных веществ.<br />
При последующем нанесении полярных неподвижных фаз такой<br />
поверхностно-активной добавкой служил полиэтиленгликоль<br />
Карбовакс 20М, а для неполярных неподвижных фаз - хлорид<br />
бензилтрифенилфосфония [172].<br />
179
LUL.<br />
16 20 23<br />
151/17 121124<br />
0 4 8 12 16 20 24 28 30 36 38<br />
Время, мин<br />
Рис. 43. Хроматограмма мятного масла, полученная на кварцевой капиллярной<br />
колонке длиной 60 м и диаметром 0,25 мм с полиэтиленгликолем<br />
Супелковакс 10 в качестве неподвижной фазы (толщина пленки<br />
0,25 мкм). Температура колонки: 4 мин при 75°С, далее нагрев до 200 0 C<br />
со скоростью 4 град./мин, выдержка при этой температуре 5 мин. Объем<br />
пробы 0,2 мкл, коэффициент деления потока: 1:100; газ-носитель гелий,<br />
линейная скорость 25 см/сек<br />
/ - сс-пинен; 2 - (З-пинен; 3 - сабинен; 4 - мирцен; 5 - ос-терпинен; 6 - лимонен;<br />
7 - 1,8-цинеол; 8 - цис-оцимен; 9 - у-терпинен; 10 - яяря-цимен; / / - терпинолен;<br />
12 - 3-октанол; /5-1 -октен-3-ол; 14 - тряносабинен гидрат; 15 - L-ментон;<br />
16 - ментофуран; 17 - D-кзо-ментон; 18 - (3-бурболен; 19 - линалоол; 20 -<br />
ментилацетат; 21 - неоментол; 22 - терпинен-4-ол; 23 - (3-кариофиллен; 24 - L-<br />
ментол; 25 - пулегон; 26 - сс-терпинеол; 27 - D-гермакрен; 28 - пиперитон; 29 -<br />
виридифлорол (Supelco Chromatography Products, Gland (Switzerland): Supelco SA;<br />
1992, p. 42)<br />
Травление внутренней поверхности стеклянных капилляров<br />
газообразным корродирующим агентом - парами метилтрифторхлорэтилового<br />
эфира - позволило Преториусу с сотр. [173,<br />
174] получить капилляры с внутренней поверхностью, покрытой<br />
своеобразными кристаллическими "усами" - стержнеобразными<br />
поликристаллическими выростами, которые состоят, по-видимому,<br />
главным образом, из кремнезема и равномерно распределены<br />
на внутренней поверхности капиллярных трубок.<br />
Для изготовления такого капилляра один конец его присоединяют<br />
к вакуумной системе, а второй к короткой стеклянной<br />
180<br />
трубке диаметром около 5 мм, закрытой пробкой из силиконовой<br />
резины. В капилляре создают разрежение порядка 10~ 2 мм рт. ст.<br />
и отпаивают конец, присоединенный к вакуум-насосу. После этого<br />
шприцем через силиконовую пробку вводят требуемое количество<br />
метилтрифторхлорэтилового эфира и отпаивают капилляр<br />
от трубки. Запаянный теперь с обоих концов капилляр нагревают<br />
до 350-500 0 C в печи без градиентов температуры, выдерживают<br />
в течение нескольких часов, а затем продувают сухим<br />
азотом при 200 0 C и освобождают от углеродистого налета на<br />
стенках продувкой кислородом при 45O 0 C в течение 6-12 часов.<br />
Количество вводимого жидкого эфира составляло 2,5-10% от<br />
объема обрабатываемого капилляра. Оптимальные результаты<br />
были получены при 400 0 C и концентрации эфира около 5%. Микрофотографии<br />
(рис. 44), полученные с помощью сканирующего<br />
электронного микроскопа, показали, что вырастающие усы равномерно<br />
распределены по окружности капилляра и имеют почти<br />
одинаковые размеры [173]. Длина "усов" колеблется, в зависимости<br />
от концентрации эфира, от 5 до 30 мкм.<br />
Согласно данным авторов [173-175], на обработанные таким<br />
образом капилляры могут быть динамическим способом нанесены<br />
различные жидкие фазы, что дает возможность приготовления<br />
высокоэффективных колонок. "Усы" обладают большой<br />
прочностью, не ломаются и не отрываются от поверхности ни<br />
при продавливании жидкостей через капилляр, ни при дальнейшей<br />
эксплуатации колонки. Обширные данные о технике проведения<br />
дезактивации капилляров таким способом, об эффективности<br />
получаемых колонок (ВЭТТ, соотношение неподвижной и<br />
газообразной фаз, допустимый объем проб и др.) и об их применении<br />
для разделения сложных смесей углеводородов, стероидов,<br />
эфирных масел, пестицидов, жирных кислот и других групп органических<br />
соединений приведены в обстоятельных работах Шике<br />
и Преториуса [176-179]. Позже аналогичные результаты были<br />
получены в работах [180, 181].<br />
Онушка и Комба [182], сопоставляя различные способы модификации<br />
поверхности стеклянных капилляров, показали возможность<br />
получения высокоэффективных колонок, модифицированных<br />
описанным ими способом, не только с полисилоксановыми неподвижными<br />
фазами, но и с полярным полиэтиленгликолем карбовакс<br />
2OM. Приготовленные по описанному этими авторами способу<br />
высокоэффективные колонки были с успехом использованы<br />
для анализа сложных многокомпонентных смесей полихлорированных<br />
бифенилов, известных под общим названием Арохлор.<br />
Тщательная отработка условий травления позволила получить<br />
подобные "усы" и при действии на поверхность стекла газо-<br />
181
Рис. 45. Микрофотографии внутренней поверхности<br />
стеклянного капилляра после травления газообразным<br />
фтористым водородом<br />
Рис. 44. Микрофотографии внутренней поверхности стеклянных капиллярных<br />
колонок: "усы", полученные при травлении парами метилтрпфторхлорэтилового<br />
эфира<br />
182<br />
образного фтористого водорода при 400 0 C в течение 12 часов<br />
(рис. 45) [183]. Эти "усы" образуют рыхлую структуру, подобную<br />
войлоку, и позволяют получать колонки с эффективностью до<br />
228 тыс. т.т. при длине 38 м (6-8 тыс. т.т./м).<br />
Рассмотренные способы обработки стеклянных капилляров<br />
имеют весьма значительные перспективы. Однако в настоящее<br />
время достаточно широко используются капиллярные колонки,<br />
на внутреннюю поверхность которых тем или иным путем нанесен<br />
слой равномерно распределенных частиц малого размера,<br />
выполняющих функцию инертного твердого носителя. Для образования<br />
таких слоев можно применять статический способ нанесения<br />
жидкой фазы, однако в случае стеклянных капилляров<br />
на практике оказывается более удобным пользоваться динамическим<br />
способом, либо формировать слой носителя или сорбен-<br />
183
та в процессе вытягивания капилляра из стеклянной заготовки<br />
(см. ниже).<br />
В настоящее зремя находят применение капиллярные колонки<br />
со слоем коллоидного кремнезема, наносимого на стенки капилляров<br />
одновременно с жидкой фазой [184-187]. Описанные в работе<br />
[188] видоизменения техники нанесения такого слоя, предусматривающие<br />
применение ультразвука для предварительной гомогенизации<br />
суспензии и силанизации микрочастиц двуокиси кремния с<br />
целью подавления нежелательных адсорбционных явлений, позволили<br />
приготовить колонки, нашедшие широкое применение в биохимических<br />
исследованиях. При использовании такого метода поверхность<br />
стеклянного капилляра не подвергалась травлению, но<br />
обрабатывалась силанизирующими агентами с последующим нанесением<br />
неполярных жидких фаз. В случае применения полярных<br />
жидких фаз силанизацию не проводили [188, 189]. По-видимому,<br />
стабилизация пленки жидкой фазы в этих колонках происходит<br />
вследствие наличия на гладкой поверхности частиц двуокиси кремния,<br />
удерживаемых сорбционными силами без использования каких-либо<br />
химических закрепляющих агентов [190].<br />
Капиллярные колонки для газовой адсорбционной хроматографии<br />
готовили путем нанесения на стенки стеклянных капилляров<br />
тонких слоев диоксида кремния из коллоидных растворов,<br />
содержащих кремнекислоту и поверхностно-активные добавки<br />
[191,192]. Для этой цели применяли коммерчески доступные препараты<br />
CD-100 (коллоидный раствор SiO 2 в гептане), Силоид-244<br />
(коллоидный раствор SiO 2 , стабилизированный поверхностно-активным<br />
веществом Игепал СО-430 (нонилфеноксиполи-(этиленокси)-этанол),<br />
суспензиями PZ-240 и PZ-250. Были получены колонки,<br />
вполне устойчивые до температуры 175°С и пригодные<br />
для разделения смесей углеводородов C 5 -C 12 бензиновых фракций<br />
и метиловых эфиров жирных кислот C 6 -C 18 .<br />
Ряд факторов, определяющих эффективность колонок с нанесенным<br />
на стенки аморфным диоксидом кремния, были изучены в<br />
работе [193], содержащей подробное описание техники приготовления<br />
капиллярных колонок. Отмечается, что полученные колонки<br />
с неподвижными фазами OV-101, OV-225, ПЭГ-20М, Силар-10<br />
обладали высокой эффективностью при разделении смесей, содержащих<br />
углеводороды, спирты, 2,6-диметилфенол и 2,6-диметиланилин.<br />
Эти колонки оказались устойчивыми также и при непосредственном<br />
вводе водных проб довольно большого объема.<br />
Наивысшие температуры эксплуатации таких колонок определяются<br />
жидкими фазами. Так, колонки с SE-30 могут использоваться<br />
примерно до 320 0 C, колонки с полифенилсульфоном<br />
[194] - до 320-350 0 C. Эффективность колонок при этом состав-<br />
184<br />
ляет 1500-1600 т.т./м, так что колонка длиной 60 м обладает разделяющей<br />
способностью, эквивалентной 100 тыс. т.т. Это дает<br />
возможность применять такие колонки для решения самых сложных<br />
задач, в том числе для анализа стероидов, метаболитов ряда<br />
фармацевтических препаратов и для решения других медикобиологических<br />
проблем.<br />
Слой бентона 34 - комплекса бентонитовой глины с четвертичными<br />
аммониевыми основаниями - может быть нанесен динамическим<br />
способом на стенки стеклянных капилляров из суспензий<br />
или коллоидных растворов в органических растворителях<br />
ароматического характера [41, 195]. Благодаря наличию в составе<br />
бентона 34 органических составляющих, этот слой без какойлибо<br />
жидкой фазы обеспечивает разделение ряда близких изомерных<br />
пар, например, мета- и пара-ксилолов. Кроме того, он<br />
может быть покрыт и другими жидкими фазами, непосредственное<br />
использование которых в капиллярных колонках затруднительно<br />
[195]. Однако органо-глинистый комплекс бентона 34 обладает<br />
относительно низкой термической устойчивостью, и высокая<br />
эффективность колонок сохраняется лишь в области относительно<br />
невысоких температур. Значительно более устойчивы<br />
слои из диатомитовых носителей [196, 197].<br />
Тонкоизмельченный Хромосорб R наносили статическим<br />
способом в одну стадию на стенки капилляров размером<br />
25 м х 0,4 мм из 15%-ного раствора полисилоксана OV-IOl, в котором<br />
было суспендировано 5% Хромосорба R [198, 199]. Полученные<br />
колонки с успехом применяли для разделения летучих<br />
производных аминокислот с использованием электронно-захватного<br />
детектора на 63 Ni.<br />
Сходным образом, на стенки кварцевых капилляров наносили<br />
слой мелкозернистого оксида алюминия [200]. Порошок оксида<br />
алюминия, в котором 95% частиц имели размер меньше 2 мкм,<br />
активировали нагреванием в течение 24 часов при 300 0 C. Затем<br />
20 г полученного адсорбента смешивали с 70 мл 5%-ного раствора<br />
детергента Диспутал в 1%-ной уксусной кислоте и в течение<br />
10 мин обрабатывали на ультразвуковой бане. Обработанную<br />
суспензию фильтровали через сетку с размерами ячеек 300 меш<br />
(около 0,04 мм) и оставляли стоять 24 часа. Далее к кварцевому<br />
капилляру длиной 50 м и диаметром 0,32 мм присоединяли отрезок<br />
такого же капилляра длиной 25 м и шприцем вводили в рабочий<br />
капилляр 1 %-ную уксусную кислоту в таком количестве, чтобы<br />
в капилляре образовалась жидкостная пробка длиной примерно<br />
10 м. После этого также шприцем в капилляр вводили 0,4 мл<br />
приготовленной суспензии твердого носителя и продавливали ее<br />
через капилляр давлением азота, установив вначале скорость его<br />
185
Рис. 46. Схема нанесения слоя кристаллов карбоната бария на стенки<br />
стеклянных капилляров<br />
подачи 4 мл/мин. Когда пробка суспензии проходила примерно<br />
50% длины капилляра, систему разъединяли и в капилляр вводили<br />
еще 0,4 мл суспензии. Далее пропускали всю жидкость через всю<br />
колонку, отсоединяли буферный капилляр и выдерживали приготовленную<br />
колонку 16 часов без сотрясений. Затем колонку высушивали<br />
в токе азота при входном давлении 2 кг/см 2 в течение трех<br />
дней при 25 0 C, после чего ее активировали 3 часа в токе азота при<br />
входном давлении 1 кг/см 2 с подъемом температуры от комнатной<br />
до 300 0 C со скоростью 10 град./мин. После охлаждения колонку<br />
дважды промывали 2%-ным раствором хлорида калия, пропуская<br />
раствор под давлением азота 2 кг/см 2 , после чего сушили 24 часа в<br />
токе азота при давлении на входе 5 кг/см 2 . Далее колонки активировали<br />
60 мин при 300 0 C в потоке газа-носителя. Приготовленные<br />
таким образом колонки содержали 3^4 мг оксида алюминия на 1 м<br />
длины капилляра. По-видимому, такой способ приготовления капиллярных<br />
газо-адсорбционных колонок или его сходные модификации<br />
оказались достаточно плодотворными, так как в настоящее<br />
время капиллярные колонки с оксидом алюминия серийно<br />
производит голландская фирма "Хромпак".<br />
Предложен весьма изящный способ формирования на поверхности<br />
стеклянных капилляров тонкого слоя мельчайших частиц<br />
устойчивого инертного носителя - углекислого бария, химически<br />
осаждаемого из раствора гидроксида бария, продавливаемого<br />
в виде пробки жидкости, как при динамическом методе<br />
[201]. Техника выполнения этой операции проста: в исходный капилляр<br />
вводят шприцем небольшое количество соляной кислоты<br />
(0,1 M), образующей внутри него жидкую пробку длиной 1-2 м.<br />
Затем создают на входе небольшое давление газа, продвигающее<br />
пробку кислоты на 20-50 см внутрь капилляра, и вводят раствор<br />
гидроксида бария (0,05-5%), также образующий жидкую пробку<br />
длиной 1-2 м. Слой кислоты теперь оказывается отделенным от<br />
слоя раствора гидроксида бария воздушным промежутком<br />
(рис. 46). Далее продвигают обе жидкие пробки одновременно,<br />
186<br />
используя для создания давления углекислый газ. При этом соляная<br />
кислота гидролизует поверхность стекла, образуя свободные<br />
силанольные группы, вступающие во взаимодействие с гидроксидом<br />
бария и фиксирующие ионы бария на поверхности стекла.<br />
Далее под действием углекислоты в пленке жидкости, оставшейся<br />
на стенках после того, как прошла пробка раствора гидроксида<br />
бария, происходит образование микрокристаллического осадка<br />
карбоната бария. Рост кристаллов начинается на стенках капилляра,<br />
и образующиеся кристаллические зародыши оказываются<br />
прочно прикрепленными к поверхности стекла.<br />
По окончании продавливания капилляр подвергается сушке<br />
в токе углекислого газа, после чего на образовавшийся слой<br />
мелкокристаллического карбоната бария наносят желаемую<br />
жидкую фазу обычным динамическим способом из подходящего<br />
растворителя. Эффективность приготовленных таким образом<br />
колонок достигает 3000-3500 т.т./м при хорошей воспроизводимости<br />
результатов. Отсутствие необходимости в какой-либо<br />
специальной аппаратуре для приготовления растворов или<br />
нанесения жидкой фазы, высокая эффективность получающихся<br />
колонок и хорошая воспроизводимость результатов<br />
обеспечивают предложенному способу широкую область применения.<br />
Авторы этого способа приготовления стеклянных и кварцевых<br />
капиллярных колонок провели обширный цикл исследований,<br />
в которых были выявлены оптимальные условия проведения<br />
описанного процесса и исследована структура образующегося<br />
слоя частиц карбоната бария с помощью метода сканирующей<br />
электронной микроскопии [202-208]. В ряде работ была<br />
показана возможность приготовления таким способом высокоэффективных<br />
колонок с полярными неподвижными фазами, в<br />
том числе с полиэтиленгликолями разной молекулярной массы<br />
[209, 210].<br />
Высокая эффективность колонок со слоями карбоната бария<br />
была подтверждена и другими авторами [211], в том числе и на<br />
примерах разделения спиртов и других полярных соединений. Apрендейл<br />
и сотр. [212] провели обстоятельное сопоставление капиллярных<br />
колонок с кристаллами BaCO 3 на стенках и колонок,<br />
приготовленных с предварительной дезактивацией поверхности<br />
высокомолекулярным полиэтиленоксидом Суперокс ТМ-4. В качестве<br />
неподвижных фаз были испытаны полисилоксаны SE-54,<br />
SP-2250 и полиэтиленгликоль Карбовакс 2OM [213]. Авторы этой<br />
работы отмечают преимущества колонок, полученных комбинированным<br />
способом: колонки со слоем кристаллов карбоната бария<br />
перед нанесением неподвижной фазы обрабатывали Суперок-<br />
187
сом TM-4. Полученные колонки были с успехом использованы для<br />
анализа смесей, содержащих октанол-1, октанон, нафталин, 2,4-<br />
диметилфенол, 2,4-диметиланилин, метиловые эфиры жирных кислот<br />
C] 2 -C 22 , полициклические ароматические углеводороды, компоненты<br />
вытяжек из листьев табака и другие соединения.<br />
Интересно отметить, что, несмотря на очевидный интерес, в литературе<br />
отсутствуют сообщения об использовании других аналогичных<br />
систем с иными малорастворимыми солями по методике,<br />
аналогичной предложенной в работе Гроба и сотр. Можно было бы<br />
осаждать малорастворимые карбонаты кальция и стронция, хлориды<br />
и сульфиды серебра, меди и других элементов. Однако такие<br />
эксперименты до настоящего времени в литературе не описаны.<br />
Все рассмотренные способы получения сорбционных слоев<br />
путем химического воздействия на стенки капиллярных трубок<br />
или осаждения на них мелких минеральных частиц приводят к образованию<br />
весьма тонких слоев, толщиной от 1 до 10 мкм, имеющих<br />
ограниченную сорбционную емкость. Методы формирования<br />
сорбционных слоев одновременно с вытягиванием капилляра<br />
применяются достаточно давно и в отличие от всех описанных<br />
выше способов приводят к образованию более толстых слоев, до<br />
100-150 мкм, что повышает сорбционную емкость колонок и позволяет<br />
резко увеличить допустимую величину пробы.<br />
Одной из первых работ такого рода явилось сообщение Горетти,<br />
Либерти и Нота [214] о приготовлении стеклянных капиллярных<br />
колонок с толстыми слоями графитированной сажи,<br />
формируемыми в процессе вытягивания капилляра. С этой целью<br />
в исходную стеклянную трубку - заготовку для вытягивания<br />
капилляра - вводили металлический стержень, занимавший около<br />
60-80% сечения заготовки. Конец стержня был заточен в форме<br />
конуса с углом при вершине около 10°. К вершине конуса был<br />
прикреплен прямой отрезок вольфрамовой проволоки диаметром<br />
0,2-0,3 мм. Пространство между стержнем и стенками трубки<br />
плотно заполняли мелкозернистой графитированной сажей.<br />
Подготовленную таким образом заготовку устанавливали в прибор<br />
для вытягивания капилляров, так чтобы конический конец<br />
внутреннего стержня находился в обогревательной печи, а<br />
вольфрамовая проволока оказалась бы внутри вытягиваемого<br />
капилляра (рис. 47). Второй конец стержня закрепляют неподвижно,<br />
так что подающие ролики как бы стягивают стеклянную<br />
заготовку со стержня. Получаемые капиллярные колонки со слоем<br />
графитированной сажи на стенках (100-120 мкм) обеспечивали<br />
возможность разделения разнообразных соединений с эффективностью<br />
около 2000 т.т./м. Полученные колонки использовали<br />
для разделения моно- и сесквитерпеновых углеводородов, терпе-<br />
188<br />
(зд<br />
_.. ..,,,^<br />
6 (oV 4 ' '<br />
Рис. 47. Вытягивание стеклянных капилляров с толстыми слоями адсорбентов<br />
или твердых носителей<br />
/ - стеклянная трубка-заготовка; 2 - неподвижный стержень; 3 - адсорбент<br />
или твердый носитель; 4 - вольфрамовый наконечник; 5 - тянущие ролики; 6 -<br />
вытянутый капилляр<br />
новых спиртов, ацетатов, альдегидов, кетонов и других соединений<br />
при анализе эфирных масел [214]. Стеклянные капиллярные<br />
колонки, покрытые слоем графитированной сажи, модифицированной<br />
небольшой добавкой неподвижной фазы, были с успехом<br />
использованы для разделения пестицидов, терпенов, ароматических<br />
углеводородов, жирных кислот и фенолов, в том числе изомеров<br />
крезола [215].<br />
Аналогичным путем Грант [216] готовил капилляры со стенками,<br />
покрытыми толстыми слоями диатомитовых твердых носителей.<br />
Для закрепления слоев на поверхности стеклянных капилляров<br />
к исходному мелкозернистому носителю добавляли<br />
тонкоизмельченные легкоплавкие соли, например хлорид лития.<br />
Высокая гигроскопичность этой соли снижала стабильность слоев.<br />
В дальнейшем лучшие результаты были получены при замене<br />
хлористого лития мелкораздробленным легкоплавким стеклом<br />
[217]. Хотя методы формирования сорбционных слоев большой<br />
толщины в процессе вытягивания капилляра обладают<br />
очень высокой воспроизводимостью, они пока не приобрели<br />
большого распространения из-за необходимости иметь специальную<br />
аппаратуру и из-за более высоких требований к постоянству<br />
условий изготовления капилляров.<br />
Таким образом, можно сделать вывод, что при современном<br />
уровне развития методики и техники капиллярной хроматографии<br />
наиболее удобными в практическом отношении и перспективными<br />
способами приготовления высокоэффективных стеклянных<br />
капиллярных колонок являются методы, рекомендованные<br />
в работах [136, 188, 201]. Для получения универсальных ка-<br />
189
пиллярных колонок для адсорбционной хроматографии, по-видимому,<br />
наиболее пригоден метод формирования слоев адсорбента<br />
при вытягивании капилляра [213-217].<br />
Колонки с нанесенным на стенки сорбентом много раз сравнивали<br />
с колонками, полученными с использованием различных<br />
способов модификации поверхности, в том числе путем травления<br />
газообразным хлористым водородом [218]. Полученные при<br />
этом результаты говорят о том, что, помимо некоторых специальных<br />
случаев, колонки со стенками, покрытыми достаточно<br />
толстыми слоями сорбентов, нанесенными на стенки или сформированными<br />
из материала самого капилляра, оказываются более<br />
предпочтительными [219].<br />
С другой стороны, дезактивация внутренней поверхности стеклянных<br />
и кварцевых капилляров пленками полисилоксанов<br />
[220] или действием силанизирующих агентов с фенильными<br />
группами [221] определенно дает возможность получать достаточно<br />
инертные, высокоэффективные и стабильно работающие<br />
в течение длительного времени колонки.<br />
В последней работе [221] для дезактивации поверхности капилляров<br />
размером 15 м х 0,3 мм использовали дифенилдихлорсилан,<br />
трифенилхлорсилан и октафенилциклотетрасилоксан.<br />
В качестве неподвижных фаз применяли полисилоксаны Дексил<br />
400, OV-17, OV-25, SP-2250. Эти неподвижные фазы наносили<br />
статическим способом из 0,2%-ного раствора. Дезактивацию<br />
поверхности капилляров осуществляли следующим образом. Колонку<br />
заполняли в вакууме 20%-ной хлороводородной кислотой<br />
на 92-95% ее объема [222], запаивали и нагревали 12 часов при<br />
140-180°С. По охлаждении колонку промывали 2%-ной хлороводородной<br />
кислотой, затем дистиллированной водой и метанолом,<br />
после чего высушивали и дегидратировали в токе сухого азота при<br />
300 0 C [223]. Затем динамическим способом наносили дезактивирующие<br />
агенты. Дифенилдихлорсилан пропускали через колонку в<br />
чистом виде, трифенилхлорсилан наносили из 1 %-ного раствора в<br />
сухом хлористом метилене, а октафенилциклотетрасилоксан - из<br />
насыщенного раствора в том же растворителе. Затем концы капилляра<br />
запаивали и нагревали его 16 часов при 400 0 C. После охлаждения<br />
открывали концы и продували капилляр сухим азотом.<br />
На подготовленный таким образом капилляр наносили неподвижную<br />
фазу статическим способом из 0,2%-ных растворов в подходящих<br />
растворителях. В качестве неподвижных фаз применяли высокотемпературные<br />
полисилоксаны Дексил 400, OV-17, OV-25 и<br />
SP-2250. Таким способом получали очень стабильные высокоэффективные<br />
капиллярные колонки, весьма инертные в отношении<br />
нежелательных адсорбционных явлений.<br />
190<br />
5.6. ИММОБИЛИЗАЦИЯ ПОЛИСИЛОКСАНОВЫХ<br />
НЕПОДВИЖНЫХ ФАЗ<br />
НА СТЕНКАХ КАПИЛЛЯРНЫХ КОЛОНОК<br />
Весьма существенного улучшения стабильности и повышения<br />
адсорбционной инертности капиллярных колонок с полисилоксановыми<br />
неподвижными фазами удалось добиться, применяя различные<br />
способы межмолекулярной сшивки полисилоксановых полимеров<br />
с получением прочных нерастворимых пленок, обладающих<br />
в то же время достаточно высокой растворяющей и удерживающей<br />
способностью, необходимых для хорошего разделения веществ,<br />
подвергаемых газохроматографическому анализу.<br />
Систематическое изучение температурной стабильности полисилоксановых<br />
неподвижных фаз показало, что эти материалы интенсивно<br />
деградируют при температурах выше 250 0 C с образованием<br />
летучих низкомолекулярных продуктов, которые выносятся<br />
из колонки с потоком газа-носителя. Эти процессы были изучены<br />
на примере полидиметилсилоксановых неподвижных фаз SE-30 и<br />
OV-I в температурном диапазоне 250-390 0 C [224].<br />
Необходимость обеспечить более высокие рабочие температуры<br />
и повысить стабильность колонок при длительной работе<br />
побудила ряд исследователей к изучению возможностей получения<br />
высокотермостойких неэкстрагируемых полисилоксанов in<br />
situ, непосредственно в капиллярных колонках. Так, Бломберг и<br />
Уэннман [225] описали способ синтеза таких неподвижных фаз и<br />
сопоставили рабочие характеристики капиллярных колонок со<br />
сшитыми и линейными полисилоксанами. Эта работа показала<br />
заметные преимущества поперечно-сшитых полисилоксановых<br />
неподвижных фаз. Сходные методы описаны в американском<br />
патенте [226] и в работах Мадани, Шамбаза и сотр. [227, 228]. В<br />
последней работах были приготовлены капиллярные колонки, с<br />
успехом использованные для анализа стероидных гормонов и<br />
простагландинов. Мадани и Шамбаз [229] сообщают также о том,<br />
что по предлагаемой ими технологии могут быть приготовлены<br />
стабильные и достаточно эффективные колонки не только с неполярными<br />
полиметилсилоксанами, но и с силиконами, содержащими<br />
полярные группы.<br />
Довольно подробные исследования по сшивке полисилоксановых<br />
полимеров непосредственно в капиллярных колонках описали<br />
Сандра и Верцеле с сотр. в работе [230] и в последующих<br />
публикациях. В этих и других публикациях по данному вопросу в<br />
большинстве случаев сшивающими агентами служили органические<br />
перекиси, в очень небольших количествах добавляемые в<br />
191
растворы неподвижных фаз при нанесении их на поверхность<br />
стеклянных и кварцевых капилляров [231, 232]. В последней работе<br />
было показано, что иммобилизованные полисилоксановые<br />
неподвижные фазы обеспечивают такие преимущества перед колонками<br />
с линейными полисилоксанами, как значительное повышение<br />
термической устойчивости, возможность нанесения слоев<br />
большой толщины и, что весьма существенно, возможность регенерации<br />
долго работавших колонок, частично утративших свою<br />
эффективность вследствие загрязнения нелетучими примесями<br />
анализируемых проб и продуктами полимеризации и осмоления<br />
их отдельных компонентов. Такая регенерация колонок со сшитыми<br />
полисилоксановыми неподвижными фазами осуществляется<br />
достаточно просто путем пропускания через колонку в прямом<br />
и обратном направлении нескольких порций хлористого метилена<br />
объемом 2-5 мл с последующим высушиванием в токе газаносителя<br />
при постепенном подъеме температуры до 180-200 0 C.<br />
Процесс приготовления стеклянных капиллярных колонок с<br />
химически связанными неподвижными фазами довольно подробно<br />
описан в работе японских авторов [233]. В этой работе отмечается,<br />
что способы прививки неподвижной фазы к поверхности<br />
стеклянных капилляров, обеспечивающие образование связей<br />
Si-O-Si, позволяют добиться наиболее высокой термической устойчивости<br />
колонок и их стойкости к действию экстрагентов.<br />
Приготовление стеклянных капиллярных колонок большого<br />
диаметра с нанесенной на стенки неподвижной фазой описано<br />
также в работе Онушки и сотр. [234].<br />
Каучукоподобные иммобилизованные неподвижные фазы<br />
для стеклянных капиллярных колонок рассматриваются как<br />
предпочтительные и в работах Гроба [235, 236]. Наиболее предпочтительными<br />
этот автор считает иммобилизованные неподвижные<br />
фазы, получаемые из полисилоксанов SE-30, OV-I, SE-<br />
52, SE-54 и SP-2125x. Автор этих работ справедливо полагает,<br />
что внедрение в практику газохроматографического анализа высокоэффективных<br />
стеклянных колонок с иммобилизованными<br />
неподвижными фазами представляет собой серьезный прогресс в<br />
развитии аналитической техники.<br />
Для иммобилизации полисилоксановых неподвижных фаз применяют,<br />
в основном, обычные перекисные сшивающие агенты дикумилпероксид<br />
или дибензоилпероксид [237, 238]. Для полидиметилсилоксанов<br />
и ряда винилсиликонов было изучено влияние количества<br />
внесенного дибензоилпероксида на полярность получаемой<br />
иммобилизованной неподвижной фазы, эффективность приготовленных<br />
колонок и на толщину пленки образовавшегося нерастворимого<br />
полимера [239, 240]. Способ приготовления стеклянных ка-<br />
192<br />
пиллярных колонок со сшитой полиметилсилоксановой неподвижной<br />
фазой, отличающейся высокой термической устойчивостью и<br />
пригодной для разделения труднолетучих полициклических ароматических<br />
углеводородов, описан Бломбергом и сотр. [241, 242]. В<br />
работе [243] описан способ нанесения неэкстрагируемой пленки<br />
циансиликонового каучука путем образования сшитого полимера<br />
непосредственно в колонке. Полученные при этом капиллярные<br />
колонки применяли для разделения полициклических ароматических<br />
углеводородов и летучих производных углеводородов. В этом<br />
исследовании было показано, что колонки с силоксановыми полимерами,<br />
полученными из смеси [3-цианоэтилметилдихлорсилана и<br />
диметилдихлорсилана или из бис-(у-цианопропил)-дихлорсилана,<br />
превосходят по своим качествам колонки с такими неподвижными<br />
фазами как Силар-ЮС, ХЕ-60 и АН-600.<br />
При достаточно широком распространении способов иммобилизации<br />
полисилоксановых неподвижных фаз с помощью органических<br />
пероксидов (перекисей бензоила, кумила и трет.-бутила)<br />
[235-246] Рихтер и сотр. [247] сообщают о нежелательных<br />
явлениях окисления полисилоксанов с толильными и цианопропильными<br />
группами при использовании органических пероксидов<br />
и рекомендуют проводить этот процесс с помощью азосоединений<br />
с третичными атомами углерода (азо-трет.-бутил, азо-<br />
«зо-октил и др.). Эти же агенты, легко образующие свободные<br />
радикалы, рекомендованы и в работе [244].<br />
Примеры успешного применения при приготовлении стеклянных<br />
и кварцевых капиллярных колонок азо-изо-бутиронитрила,<br />
разлагающегося с образованием свободных радикалов уже<br />
при 80 0 C, может служить работа [248]. Стеклянные капилляры<br />
размером 20 м х 0,25 мм вначале подвергали травлению динамическим<br />
способом [249], а затем силилировали при 400 0 C [250].<br />
Кварцевые капилляры не подвергали какой-либо предварительной<br />
обработке. После нанесения полисилоксановой неподвижной<br />
фазы SE-54 статическим способом из 0,5%-ного раствора в<br />
пентане, содержащего 0,5 мг/мл азо-мзо-бутиронитрила, колонки<br />
вакуумировали, запаивали под вакуумом и прогревали 3 часа при<br />
80 0 C. После этого колонки кондиционировали обычным<br />
способом. Стабильность полученных колонок оценивали, измеряя<br />
индексы удерживания компонентов смеси тестовых веществ<br />
сразу после приготовления и после промывки 25 мл хлористого<br />
метилена. Было установлено, что такая промывка не приводит к<br />
сколько-нибудь существенному изменению индексов удерживания<br />
таких компонентов тестовой смеси, как углеводороды C 9 -C n<br />
и 1-октанол. Только для 2,6-диметилфенола и 2,6-диметиланилина<br />
отмечалось увеличение индексов удерживания на 0,4—0,5 еди-<br />
7. Руденко Б.A. T. 1 193
ницы индекса. Эффективность полученных колонок составляла<br />
2500-3000 т.т. на 1 м длины, что следует признать достаточно высоким<br />
результатом (эффективность на уровне 75-80% от наибольшего,<br />
теоретически возможного значения). Авторы работы<br />
[248] отмечают, что как применяемый инициатор, так и продукты<br />
его распада не изменяют заметным образом хроматографических<br />
характеристик полисилоксановых неподвижных фаз.<br />
Еще одним интересным агентом для сшивки полисилоксановых<br />
неподвижных фаз является озон [249]. Кварцевый капилляр<br />
размером 15 м х 0,25 мм дезактивировали октаметилциклотетрасилоксаном<br />
(агент D4), нагревая запаянный капилляр со<br />
скоростью 5 град/мин до 440 0 C. При этой температуре капилляр<br />
выдерживали 2 часа. Затем капилляр медленно охлаждали, промывали<br />
хлористым метиленом и статическим методом<br />
наносили полисилоксановую неподвижную фазу из 4%-ного<br />
раствора в том же растворителе. Указанная концентрация растворителя<br />
соответствует толщине пленки неподвижной фазы,<br />
равной 0,25 мкм. После завершения операции нанесения неподвижной<br />
фазы колонку продували 3 часа сухим азотом и кондиционировали<br />
путем нагревания до 200 0 C со скоростью<br />
2 град/мин. При этой температуре колонку выдерживали 5 часов,<br />
а затем заполняли ее кислородом, содержащим 3% озона.<br />
Эту смесь продували через колонку 15 мин. Далее при нанесении<br />
в качестве неподвижных фаз полисилоксанов SE-33 или<br />
SE-54 колонку сразу же продували сухим азотом в течение 3 ч.<br />
Если же наносили неподвижные фазы SE-30 или SE-52, то<br />
после продувки озоном колонку запаивали и помещали в<br />
термостат, нагретый до 15O 0 C. Через 15 мин колонку извлекали<br />
из термостата, охлаждали и продували сухим азотом при 20 0 C.<br />
Затем колонки промывали 5 мл хлористого метилена и кондиционировали,<br />
нагревая до 300 0 C со скоростью 2 град/мин. При<br />
этой температуре колонку выдерживали 12 часов.<br />
Описаны также процедуры иммобилизации на стенках кварцевых<br />
капилляров полиэтиленгликоля Карбовакс 2OM и полиэфирной<br />
неподвижной фазы FFAP [250]. Три последние процедуры<br />
иммобилизации, описанные в работах [250-252], пока не приобрели<br />
широкого распространения, хотя по данным авторов этих<br />
работ позволяют готовить достаточно высокоэффективные колонки<br />
с полярными неподвижными фазами.<br />
Рассмотренные в этом разделе результаты определенно позволяют<br />
утверждать, что стеклянные и кварцевые капиллярные<br />
колонки с иммобилизованными силоксановыми полимерами могут<br />
быть с высокой воспроизводимостью приготовлены в любой<br />
химико-аналитической лаборатории.<br />
194<br />
5.7. ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ<br />
ПО ПРИГОТОВЛЕНИЮ СТЕКЛЯННЫХ<br />
И КВАРЦЕВЫХ КАПИЛЛЯРНЫХ КОЛОНОК<br />
Данные, рассмотренные в предыдущих разделах, показывают<br />
весьма широкое разнообразие приемов и методов приготовления<br />
высокоэффективных стеклянных и кварцевых капиллярных колонок.<br />
Тем не менее среди многообразных подходов к этой проблеме<br />
оказывается возможным выявить наиболее доступную и<br />
воспроизводимую технику. Изложенные выше данные позволили<br />
сформулировать достаточно четкие рекомендации по технике<br />
приготовления в лабораторных условиях стеклянных капиллярных<br />
колонок, обладающих высокой эффективностью, максимальной<br />
адсорбционной инертностью и хорошей стабильностью,<br />
обеспечивающей достаточно длительный срок службы. Такие<br />
рекомендации, предложенные группой признанных специалистов<br />
в области капиллярной хроматографии [253], кратко изложены<br />
ниже. Хотя эти рекомендации были сформулированы применительно<br />
к процессу приготовления стеклянных капиллярных колонок,<br />
они в значительной степени применимы и к кварцевым<br />
капиллярным колонкам.<br />
Выбор материала для изготовления колонок.<br />
Для изготовления стеклянных капиллярных колонок<br />
хорошего качества наиболее целесообразно применять высококремнеземистые<br />
тугоплавкие стекла, например, такие как Duran<br />
50 фирмы Schott-Ruhrglas (Германия). В России для этой цели широко<br />
используют стеклянные трубки из стекла Пирекс. В то же<br />
время в литературе имеются достаточно многочисленные сообщения<br />
об использовании для этой цели мягких известково-натриевых<br />
и более высокоплавких боросиликатных стекол.<br />
Перед вытягиванием капилляров рекомендуется проводить<br />
механическую очистку стеклянных заготовок без применения<br />
промывок или каких-либо способов химической обработки.<br />
Травление. Колонку заполняют 20%-ной хлороводородной<br />
кислотой, которую продолжают пропускать под давлением<br />
сжатого инертного газа и после заполнения до тех пор,<br />
пока на выходе колонки не соберется кислоты примерно<br />
20-30% от ее полного объема. Отмечают меткой примерно 7%<br />
длины колонки от ее входного конца (4% при использовании<br />
мягких известково-натриевых стекол). Когда задний мениск<br />
жидкостной пробки достигнет этой метки, отсоединяют колонку<br />
от источника сжатого газа, присоединяют ее к вакуумнасосу<br />
и затягивают жидкостную пробку кислоты обратно так,<br />
7* 195
чтобы жидкость заполнила 10-15% пустого начального отрезка<br />
колонки. Отсоединяют вакуум и запаивают входной конец<br />
колонки в пламени газовой горелки. Затем запаивают и выходной<br />
конец и выдерживают колонку 12-16 часов при 170 0 C. При<br />
использовании мягких стекол достаточна температура 140 0 C.<br />
Колонка при этом не должна касаться нагретых частей<br />
термостата.<br />
В большом числе экспериментов показано, что качество подвергнутых<br />
травлению стеклянных капилляров практически не<br />
зависит от их длины. Поэтому можно подвергать этой процедуре<br />
капилляры практически любой длины. Подвергнутые травлению<br />
заполненные хлороводородной кислотой и запаянные капилляры<br />
можно хранить без ущерба для их качества в течение довольно<br />
длительного времени.<br />
Промывка. Отрезают возможно более короткие кончики<br />
от подвергнутого травлению и заполненного хлороводородной<br />
кислотой капилляра и вытесняют заполняющую его кислоту<br />
ее 1%-ным раствором, пропуская через капилляр один-два его<br />
объема со скоростью не более 2 см/сек. При упрощенном<br />
способе дальнейшей обработки после промывки 1%-ной кислотой<br />
через капилляр пропускают ацетон в количестве, равном половине<br />
объема обрабатываемого капилляра. Однако такой<br />
способ обработки не рекомендуется применять при использовании<br />
капилляров из мягких стекол.<br />
Дегидратация. Колонку после промывки (не высушивая)<br />
помещают в термостат, нагретый до 300 0 C на 2 часа при длине<br />
колонки 15-20 м или на 3 часа при ее длине 30-50 м. Поочередно<br />
присоединяют к вакууму каждый из концов колонки с интервалом<br />
в 10-20 мин. Можно несколько упростить эту процедуру,<br />
нагревая колонку в термостате при непрерывной продувке<br />
через нее инертного газа со скоростью, равной примерно 20%<br />
скорости газа-носителя при нормальной эксплуатации колонки<br />
(около 0,5 мл/мин).<br />
В то время, как протравленные и заполненные хлороводородной<br />
кислотой капилляры с запаянными концами могут храниться<br />
достаточно долгое время, открытые и промытые колонки<br />
должны быть подвергнуты операции дегидратации их поверхности<br />
сразу после промывки.<br />
Исчерпывающее силилирование. Наиболее<br />
подходящим реагентом для силанизации поверхности стеклянных<br />
капилляров является дифенилтетраметилдисилазан (фирма<br />
Флука, Швейцария). Этот реактив можно использовать в чистом<br />
виде, однако для экономии времени рекомендуется применять<br />
его раствор в пентане (1:1 по объему).<br />
196<br />
В колонку засасывают пробку жидкости примерно на 0,1<br />
часть ее длины. Давлением сухого инертного газа эту<br />
жидкостную пробку продавливают через колонку со скоростью<br />
0,5 см/сек для чистого реагента или 2 см/сек для его раствора в<br />
пентане. Когда жидкость пройдет всю длину колонки и покинет<br />
ее, то при использовании чистого реагента немедленно запаивают<br />
оба конца колонки, а если применяют пентановый раствор, то<br />
увеличивают давление инертного газа в два-четыре раза и одновременно<br />
присоединяют выходной конец колонки к вакууму.<br />
После такой продувки (2 мин для капилляров длиной 20 м и<br />
10 мин при длине капилляра 50 м) отсоединяют вакуум и запаивают<br />
оба конца колонки, заполненной инертным газом. Затем помещают<br />
колонку в термостат, нагревают до 150 0 C и далее продолжают<br />
нагревать со скоростью 2 град/мин до 400 0 C, после чего<br />
выдерживают при этой температуре 12-15 часов. Затем отключают<br />
нагрев и медленно охлаждают колонку в закрытом<br />
термостате. По охлаждении отрезают кончики колонки и промывают<br />
ее последовательно толуолом, метанолом и диэтиловым<br />
эфиром (порциями по 30-50% от полного объема колонки).<br />
Нанесение неподвижной фазы. Готовят свежий<br />
раствор полисилоксановой неподвижной фазы (SE-54 или иного<br />
неполярного полисилоксана) с концентрацией 0,02-4%. Концентрацию<br />
раствора выбирают, исходя из желаемой толщины пленки<br />
неподвижной фазы, которую можно рассчитать по формуле<br />
5 = 2,5d in C, (5-2)<br />
где 8 - толщина пленки, мкм; d in - внутренний диаметр капилляра,<br />
мм; С - концентрация неподвижной фазы в растворе, %.<br />
После растворения неподвижной фазы в раствор добавляют<br />
дикумилоксид. Концентрация перекиси в растворе, выраженная<br />
как процентная доля от растворенной неподвижной фазы, должна<br />
составлять:<br />
для SE-54 0,4%<br />
для5Е-30иОУ-1 0,6%<br />
для SE-52 и OV-73 1,0%<br />
Так, для того чтобы приготовить 10 мл 0,5%-ного раствора<br />
полисилоксана SE-54 в пентане, содержащего 0,4% дикумилпероксида<br />
от количества неподвижной фазы, необходимо добавить в<br />
этот пентановый раствор неподвижной фазы 10 мкл 2%-ного<br />
раствора перекиси в толуоле. Далее нанесение неподвижной фазы<br />
статическим способом проводят как описано в работе [254].<br />
Иммобилизация неподвижной фазы. Подготовленную<br />
колонку устанавливают в хроматограф, не присое-<br />
197
диняя ее выходной конец к детектору. Устанавливают скорость<br />
потока газа-носителя через колонку примерно вдвое большую,<br />
чем при обычных газохроматографических анализах. Колонку<br />
выдерживают примерно 3 мин при 40-50 0 C, отсоединяют и немедленно<br />
запаивают оба конца в пламени газовой горелки.<br />
После этого колонку выдерживают 1 час при 160 0 C и 1 час при<br />
180 0 C. По охлаждении колонки отрезают запаянные кончики и<br />
промывают колонку хлористым метиленом для удаления побочных<br />
продуктов, образующихся при проведении реакции иммобилизации.<br />
При малой и средней толщине пленки неподвижной фазы<br />
через колонку пропускают два колоночных объема растворителя,<br />
а при пленках большей толщины - до пяти объемов.<br />
Чтобы определить степень иммобилизации, колонку кондиционируют<br />
при 200 0 C в течение 1 часа и проводят ее испытание<br />
путем регистрации хроматограммы тестовой смеси (см. ниже)<br />
[255, 256]. Затем колонку промывают хлористым метиленом и<br />
вновь проводят ее испытание, чтобы определить степень уменьшения<br />
толщины пленки неподвижной фазы. Можно провести такую<br />
промывку и после некоторого начального периода эксплуатации<br />
новой колонки.<br />
Кондиционирование. Основой для первичной<br />
оценки вновь приготовленной колонки служит "первичное испытание",<br />
проводимое после ее кратковременного кондиционирования<br />
при 200-220 0 C. Затем для более полной оценки качества<br />
этой колонки ее нагревают в течение ночи (12-15 часов)<br />
при 250 0 C, после чего вновь снимают хроматограммы тестовых<br />
смесей. Правильно приготовленная колонка после такой обработки<br />
не должна показывать признаков какой-либо деградации,<br />
кроме некоторого изменения кислотности. В том случае,<br />
если колонку не предполагают использовать при температурах<br />
выше 250 0 C, то ее приготовление на этом заканчивается. Если<br />
же колонка предназначена для проведения высокотемпературных<br />
анализов, то ее дополнительно прогревают при 300 0 C в течение<br />
ночи (12-15 часов). Если при повторном испытании колонки<br />
наблюдается незначительная адсорбция спиртов, то это<br />
не обязательно свидетельствует о деградации неподвижной фазы.<br />
Инертные колонки с иммобилизованной неподвижной фазой<br />
обычно восстанавливают свои качества через некоторое<br />
время после воздействия высокой температуры. Проверки качества<br />
колонки при ее дальнейшей эксплуатации могут показать,<br />
что ее первоначальные характеристики в процессе работы<br />
восстановились. При этом для периодической очистки колонок<br />
с иммобилизованными неподвижными фазами более предпочтительно<br />
применять промывку подходящим растворителем<br />
198<br />
(чаще всего хлористым метиленом), нежели использовать кондиционирование<br />
при высоких температурах.<br />
Изложенные выше рекомендации, хотя и относятся, в основном,<br />
к процессу приготовления стеклянных капиллярных колонок<br />
с неполярными полисилоксановыми неподвижными фазами,<br />
могут быть с определенными ограничениями распространены и<br />
на процессы приготовления кварцевых капиллярных колонок.<br />
Однако для них в литературе не опубликовано столь же детального<br />
и исчерпывающего описания техники их приготовления, что<br />
легко объяснимо соображениями сохранения коммерческой тайны<br />
фирм-производителей кварцевых колонок.<br />
5.8. ИСПЫТАНИЕ ГОТОВЫХ КАПИЛЛЯРНЫХ КОЛОНОК<br />
И ОЦЕНКА ИХ КАЧЕСТВА<br />
Качество приготовленных капиллярных колонок оценивают<br />
прежде всего по величине их эффективности, выраженной числом<br />
теоретических тарелок. Более показательным параметром<br />
для характеристики эффективности капиллярных колонок является<br />
число эффективных теоретических тарелок (фактор разделения<br />
Пёрнелла). Весьма показательной характеристикой является<br />
также величина эффективного числа пиков (ЭЧП), показывающая,<br />
по-существу, степень разделения двух последовательных<br />
членов того или иного гомологического ряда (чаще всего ряда<br />
нормальных алифатических углеводородов). Все эти величины<br />
достаточно подробно разобраны в предшествующих главах.<br />
Обобщенной характеристикой любой, в том числе капиллярной<br />
колонки может служить и величина введенного Голеем<br />
удельного показателя эффективности PI, рассчитываемого по<br />
уравнениям (3-97) или (3-98). Однако все эти численные параметры<br />
лишь в малой степени характеризуют пригодность данной<br />
конкретной колонки для разделения той или иной группы веществ,<br />
имеющей в своем составе более или менее полярные компоненты.<br />
Наличие остаточной адсорбционной активности, приводящее<br />
к нарушению симметрии пиков, искажения начальной<br />
хроматографической зоны при вводе проб большого объема -<br />
такие факторы могут в существенной степени исказить получаемые<br />
хроматограммы и затруднить получение объективной и<br />
достоверной информации о качественном и количественном<br />
составе анализируемых смесей веществ.<br />
Удельную эффективность приготовленных колонок, оцениваемую<br />
как число теоретических тарелок на 1 м их длины, пред-<br />
199
ложено рассматривать как критерий качества нанесения слоя неподвижной<br />
фазы. При этом Эттре [256, 257] предложил рассчитывать<br />
максимально достижимую эффективность капиллярной<br />
колонки по формуле, выведенной Голеем (см. гл. 3),<br />
"min ~~ Г 0<br />
, —11 / 2<br />
1 + 6к + Ш 2<br />
3(1 +к) 2 (5-3)<br />
в которую входит только радиус капилляра и отношение распределения<br />
вещества, используемого для проверки качества колонки.<br />
При этом рекомендуется применять для этой цели вещества,<br />
для которых к > 4-5.<br />
Из формулы (5-3) видно, что величина теоретически рассчитанной<br />
минимальной высоты, эквивалентной теоретической тарелке,<br />
прямо связана с радиусом применяемого капилляра и в<br />
сильной степени зависит от отношения распределения к. При к = 0<br />
величина минимальной высоты, эквивалентной теоретической<br />
тарелке, # min(theor) равна 0,58г 0 , а при к —> °° эта величина увеличивается<br />
до 1,9Ir 0 , то есть в 3,3 раза. С другой стороны в практически<br />
значимых пределах изменения к от 5 до 10 величина // min(theon)<br />
изменяется от 1,68г 0 до 1,79г 0 , то есть всего на 6,5%. Величина<br />
^min(iheor) относится, конечно, к идеальной капиллярной колонке<br />
со строго постоянным диаметром по всей длине и с внутренней<br />
поверхностью, покрытой абсолютно однородной пленкой неподвижной<br />
фазы. При этом предполагается, что эффективность такой<br />
колонки измерена при скорости подвижной фазы, равной<br />
или, по крайней мере, близкой к оптимальной для данной колонки<br />
(то есть отвечающей минимуму на кривой Ван-Деемтера). На<br />
практике эти условия, конечно, не выполняются в полной мере:<br />
диаметр колонки может быть непостоянным по ее длине, пленка<br />
неподвижной фазы может быть далека от идеально равномерного<br />
слоя (особенно в колонках с сильной шероховатостью стенок<br />
или с нанесенным на стенки пористым слоем), а скорость подвижной<br />
фазы может быть выше или ниже оптимальной, по крайней<br />
мере на некоторых участках колонки.<br />
Отношение наблюдаемой эффективности к максимально<br />
возможной для данной колонки, рассчитанной по формуле (5-3),<br />
предложено называть "эффективностью нанесения неподвижной<br />
фазы". В большинстве случаев эта величина оказывается равной<br />
0,6-0,9. Теоретическое рассмотрение этой величины ранее проведено<br />
Гиддингсом [258].<br />
Термин "эффективность нанесения неподвижной фазы"<br />
(coating efficiency), определяемой как отношение минимальной,<br />
рассчитанной теоретически высоты, эквивалентной теоретиче-<br />
200<br />
ской тарелке, к реально измеренной величине, подвергался критике<br />
как определенный недостаточно строго [259]. Было предложено<br />
заменить его термином "степень использования теоретической<br />
эффективности" (utilization of theoretical efficiency), математически<br />
выражающейся таким же соотношением:<br />
UTE= Я """" Ьеог -> юо%, (5-4)<br />
TJ<br />
measured<br />
Анализ двух терминов, проведенный Эттре [260], убедительно<br />
показал равнозначность этих двух определений, из которых, по нашему<br />
мнению, первый термин выигрывает своей краткостью и<br />
благозвучием. Непосредственное определение удельной поверхности<br />
и коэффициента шероховатости стеклянных капилляров<br />
было проведено Суприновичем и соавт. [261] с использованием<br />
прямых измерений термодесорбции азота с помощью микрокатарометра.<br />
Давая объективную информацию об адсорбционной<br />
активности поверхности стеклянных капилляров, использованный<br />
в работе [261] метод, к сожалению, не в полной мере применим для<br />
изучения капилляров малого диаметра (менее 0,2 мм) вследствие<br />
относительно низкой чувствительности применяемого детектора.<br />
Методика испытаний кварцевых капиллярных колонок на<br />
наличие остаточной адсорбционной активности и на унос неподвижной<br />
фазы при рабочей температуре описана в работе<br />
[262].<br />
Вопросы оценки качества капиллярных колонок изучались<br />
также в работах [263, 264]. В последней работе утверждается, что<br />
для полной оценки качества стеклянных капиллярных колонок<br />
необходимо учитывать результаты пяти контрольных опытов,<br />
проведенных в изотермических условиях и с программированием<br />
температуры и имеющих целью определение констант Мак-Рейнольдса<br />
и оценку влияния адсорбционных эффектов и льюисовских<br />
кислотных центров на поверхности капилляров.<br />
В работах Кайзера [265-268] даны обобщенные параметры<br />
оценки качества капиллярных колонок, а именно, понятие<br />
"мощности разделения", определяемое как отношение суммы<br />
эффективных чисел пиков в интервале индексов удерживания от<br />
100 до 1000 к исправленному времени удерживания последнего<br />
пика хроматограммы. По-существу, эта величина показывает,<br />
сколько пиков может быть разделено с помощью данной колонки<br />
за единицу времени.<br />
Предложенная в этих работах система оценки качества хроматографических<br />
колонок и всей хроматографической системы<br />
в целом, названная авторами "концепция ABT", была подвергну-<br />
201
та серьезной критике [269] и в настоящее время широкого<br />
распространения не получила.<br />
Более употребительным оказалось использование тестовых<br />
смесей веществ, подобранных таким образом, чтобы результаты<br />
их хроматографического разделения характеризовали бы общую<br />
эффективность колонки и наличие кислотных или основных адсорбционных<br />
центров на поверхности применяемого капилляра.<br />
Такая смесь [270] содержала этанол, метилэтилкетон, циклогексан<br />
и бензол. Позже для этой цели было предложено использовать<br />
и другие смеси различных соединений. Наибольшее<br />
распространение в настоящее время приобрела "смесь для оценки<br />
полярности" (polarity mixture), содержащая нормальные углеводороды<br />
C 9 -C 12 или C 13 -C 16 , ароматический углеводород нафталин,<br />
первичный алифатический спирт октанол-1, кетон (нонанон-5)<br />
и два соединения с кислотными и основными свойствами -<br />
2,6-диметилфенол и 2,6-диметиланилин. Показательный пример<br />
использования такой смеси описан в работе [271]. Форма пиков и<br />
эффективность колонки, рассчитанные по пикам последних двух<br />
соединений, позволяют достаточно объективно оценить пригодность<br />
данной колонки для разделения и анализа той или иной<br />
группы соединений.<br />
Достаточно подробное обсуждение вопроса об оценке качества<br />
стеклянных капиллярных колонок и составе применяемых<br />
для этой цели тестовых смесей проведено в работах [272-274]. В<br />
последней работе были испытаны капиллярные колонки с пористыми<br />
слоями и разными неподвижными фазами. В числе других<br />
материалов были испытаны Силанокс, Хромосорб, Перлит, Порапак<br />
и Карбопак А - адсорбент на основе модифицированной<br />
графитированной сажи. Применение этого адсорбента позволяет<br />
получить высокоэффективные капиллярные колонки, пригодные<br />
для анализа термически неустойчивых соединений, в<br />
частности, терпеновых углеводородов и их кислородсодержащих<br />
производных.<br />
Янг, Браун и Крам описали применение электронно-вычислительных<br />
машин при расчетах параметров, характеризующих<br />
качество капиллярных колонок [275].<br />
Процессы приготовления стеклянных и кварцевых капиллярных<br />
колонок, имеющих высокую эффективность, малую<br />
адсорбционную активность и хорошую стабильность, являются<br />
предметом многочисленных оригинальных статей и обзоров.<br />
Кроме публикаций, перечисленных в предшествующих<br />
разделах, можно указать работы Эйнига и Макдоналда [276] и<br />
Сандра и Верцеле [277], посвященные вопросам приготовления<br />
стеклянных капиллярных колонок для серийных анализов.<br />
202<br />
Вопросы оптимизации рабочих параметров таких колонок<br />
рассмотрены в статье Ябумото и Ван-ден-Ойвела [278]. Паркер<br />
и Маршалл описали технику нанесения неподвижной фазы,<br />
обеспечивающую эффективность колонок при разделении<br />
углеводородов C 6 -C 12 до 2800 т.т./м.<br />
Влияние толщины пленки неподвижной фазы на величину<br />
индексов удерживания веществ различных классов (спиртов, альдегидов,<br />
этиловых эфиров кислот и др.) в капиллярных колонках<br />
с полиэтиленгликолем карбовакс 2OM изучено в работе [280].<br />
Аналогичные систематические исследования с очень большим<br />
числом алифатических и ароматических соединений описано в<br />
многочисленных статьях Хакена и Корхонена, из обширных серий<br />
которых здесь указаны лишь по три последние работы<br />
[281-286].<br />
Процессы изготовления и оценки качества стеклянных и<br />
кварцевых капиллярных колонок и влияния различных факторов<br />
на их эффективность подробно рассмотрены в ряде обзоров. При<br />
этом отмечается, что широкое внедрение таких колонок в практику<br />
газохроматографического анализа представляет собой качественно<br />
новый этап в развитии химико-аналитической техники<br />
[287-289].<br />
Подробный обзор Ли и Райта, охватывающий все аспекты<br />
приготовления стеклянных капиллярных колонок, содержит<br />
критический анализ 359-ти литературных источников [290]. При<br />
обсуждении проблемы воспроизводимости процессов изготовления<br />
стеклянных и кварцевых капиллярных колонок Хутерман и<br />
Бал сопоставили результаты, полученные для 700 капиллярных<br />
колонок длиной 25 и 50 м с внутренним диаметром 0,25 и 0,5 мм<br />
с полисилоксаном CP-Sil5 в качестве неподвижной фазы [291].<br />
Материалы для изготовления колонок, способы вытягивания капилляров,<br />
способы нанесения неподвижной фазы и методы кондиционирования<br />
готовых колонок разобраны в обзоре Александера<br />
[292]. В обзоре Берту рассмотрено более 50-ти различных<br />
способов обработки поверхности стеклянных капилляров и нанесения<br />
неподвижных фаз, предложенных и апробированных до<br />
1981 г.<br />
Связь между свойствами исходной и подвергнутой различной<br />
обработке поверхности стекла, ее способности удерживать пленку<br />
неподвижной фазы и характером удерживания различных веществ<br />
была исследована Шомбургом и сотр. [294]. Было показано,<br />
что в капиллярных колонках с полисилоксановой неподвижной<br />
фазой (например, SE-30) при высоких температурах<br />
240-370 0 C возможно термическое разложение даже весьма устойчивых<br />
соединений. Так, например, триолеин разлагается с об-<br />
203
разованием олеиновой кислоты, диолеина и других продуктов.<br />
Аналогично ведут себя и другие триглицериды [295].<br />
При изучении термической устойчивости стеклянных и кварцевых<br />
капиллярных колонок с полиэтиленгликолями различной<br />
молекулярной массы было показано, что стабильность таких колонок<br />
зависит не столько от длины полимерной цепи, сколько от<br />
присутствия примесей кислотного характера в самой неподвижной<br />
фазе и кислотных центров на поверхности капилляров. При<br />
тщательной очистке полиэтиленгликоля и хорошей подготовке<br />
стенок капилляра колонки с полиэтиленгликолем Карбовакс 4OM<br />
могут в течение долгого времени устойчиво работать при температурах<br />
до 260 0 C [296].<br />
Интересным с точки зрения оценки качества капиллярных<br />
колонок представляется предложенный и осуществленный в работе<br />
[297] способ прямого визуального наблюдения за развитием<br />
и движением хроматографической зоны при использовании светящегося<br />
в УФ-свете летучего сорбата, хроматографируемого в<br />
стеклянной колонке. Авторам этой работы даже удалось снять<br />
цветной кинофильм, ясно показывающий процесс формирования<br />
начальной хроматографической зоны в испарителе и на начальном<br />
участке колонки и ее дальнейшее развитие в процессе продвижения<br />
по колонке далее.<br />
В том случае, когда в результате длительной эксплуатации<br />
капиллярная колонка теряет свою эффективность, ее "время<br />
жизни" может быть продлено путем повторного нанесения неподвижной<br />
фазы. При хроматографическом разделении метиловых<br />
эфиров жирных кислот на колонке с неподвижной фазой Силар<br />
10CP повторное нанесение неподвижной фазы после длительной<br />
эксплуатации колонки позволило полностью восстановить<br />
первоначальный уровень ее эффективности [298].<br />
В заключение данного раздела следует заметить, что в настоящее<br />
время разработаны достаточно рациональные и хорошо<br />
воспроизводимые приемы приготовления стеклянных и<br />
кварцевых капиллярных колонок и методы объективной оценки<br />
их качества. Это позволяет рассматривать такой способ<br />
достижения высокой эффективности хроматографического<br />
разделения как вполне сложившееся методическое направление,<br />
обеспечивающее успешное решение наиболее трудных<br />
аналитических задач, сопряженных с необходимостью разделения<br />
близких по свойствам изомеров, изотопно-замещенных<br />
соединений и даже оптических антиподов. Некоторые<br />
особенности газохроматографического метода, связанные с<br />
решением таких задач разделения, будут рассмотрены в последующих<br />
разделах данной книги.<br />
204<br />
ЛИТЕРАТУРА<br />
].Desty D.H. Il Advances in chromatography / Ed. J.C. Giddings and<br />
R.A. Keller. N.Y.: Dekker, 1965. P. 199.<br />
2. Flath R.L., Forrey R.R. // J. Agr. Food Chem. 1970. Vol. 18. P. 306.<br />
3. Grob K. IIJ. Gas Chromatogr. 1965. Vol. 3. P. 52.<br />
4. Grob K. H Beitr. Tabakforsch. 1965. Bd. 3. S. 243.<br />
5. Grob K. H HeIv. chim. acta. 1965. Vol. 48. P. 1362.<br />
6. Freedman R.W. // J. Gas Chromatogr. 1968. Vol. 6. P. 495.<br />
7. Шокина Л.И., Малиевский А.Д., Липкин Г.М. // Новости нефтяной и<br />
газовой техники. M.: Гос. НИИ науч.-техн. информ., 1966. С. 29. (Газовое<br />
дело; № 4).<br />
8. Franken JJ., Vader HL. // Chromatographia. 1973. Vol. 6. P. 22.<br />
9. Bendel E., Fell V., Commichau A. et al. // J. Chromatogr. 1965. Vol. 19.<br />
P. 277.<br />
10. Zeman 1., Wirotama l.P.G. // Ztschr anal. Chem. 1969. Bd. 247. S. 158.<br />
11. Grant D.W. II Anal. Chem. 1964. Vol. 36. P. 1519.<br />
12. Bumm С.В., Сапоровская M.Б., Беликов B.M. II Изв. АН СССР. Сер.<br />
хим. 1967. № 12. С. 2771.<br />
13. Bayer E., GiI-Av E., Kenig W.A. et al. // J. Amer. Chem. Soc. 1970. Vol. 92.<br />
P. 1738.<br />
14. Ryba M. //J. Chromatogr. 1976. Vol. 123. P. 317.<br />
15. Kovats E. /I Gas chromatography, 1966 / Ed. A.B. Littlewood. Amsterdam:<br />
Elsevier, 1967. P. 437.<br />
16. Filbert A.M., Hair ML. // J. Gas Chromatogr. 1968. Vol. 6. P. 150.<br />
17. Filbert A.M., Hair ML. // Ibid. P. 219.<br />
18. Grob K. Il HeIv. chim. acta. 1968. Vol. 51. P. 718.<br />
19. Bartle K.D., Bergstedt L., Novotny M., Widmark G. // J. Chromatogr. 1969.<br />
Vol. 45. P. 256.<br />
20. Novotny M., ZlatkisAJIL Chromatogr. Sci. 1970. Vol. 8. P. 346.<br />
21. Tesarik K., Novotny M. // Gas-Chromatographie, 1968 / Ed. H.-G. Struppe.<br />
B.: Akad.-Verl., 1968. S. 575.<br />
22. Purer A., Kaplan RL., Smith DR. I/ J. Chromatogr. Sci. 1969. Vol. 7.<br />
P. 504.<br />
23. Mohnke M., Saffert W. // Gas chromatography, 1962 / Ed. M. van Swaay.<br />
Wash. (D.C.): Butterworths, 1962. P. 216.<br />
24. Bruner F.A., Cartoni G.P., Possanzini M. // Anal. Chem. 1969. Vol. 41,<br />
P. 1122.<br />
25. Bruner F.A., Cartoni G.P. //Ibid. 1964. Vol. 36. P. 1522.<br />
26. O'Conner DJ., Buchanan AS. Il Trans. Faraday Soc. 1956. Vol. 52.<br />
P. 397.<br />
27. Fox H.W., Hare E.F., Zisman W.A. Il J. Colloid Sci., 1953. Vol. 8. P. 194.<br />
28. Fox HW., Hare E.F., Zisman W.A. 11 J. Phys. Chem. 1955, V. 59. P. 1097.<br />
29. Ettre L.S. Open tubular columns in gas chromatography. N.Y.: Plenum<br />
press, 1965.<br />
30. Desty D.H., Haresnape J.N., Whyman B.H.F. // Anal. Chem. 1960. Vol. 32.<br />
P. 302.<br />
31. KreyenbuhlA. //Bull. Soc. chim. France 1960. N 11-12. P. 2125.<br />
205
32. Haresnape J.N., Desty D.H., Whyman B.H.F. // J. Gas Chromatogr. 1967.<br />
Vol. 5. P. 2OA.<br />
33. Tesafik K., Hana K., Janicek H. // Chem. listy, 1961. Sv. 55. S. 1467.<br />
34. Verzele M., Verstappe M., Sandra P. et al. Il J. Chromatogr. Sci. 1972.<br />
Vol. 10. P. 668.<br />
35. Hedly W.H., Oh R.G., Du Four H.R., Werstner AL. // Rev. Sci. Instrum.<br />
1977. Vol. 48, N 1. P. 64-67.<br />
36. Волков СМ., Горяев В.М., Зеленков М.М. и др. А.с. 763780 СССР.<br />
Заявл. 04.08.78; Опубл. 19.09.80.<br />
37. Saimo H. Pat. 55-38 626. Jap. Appl. 16.12.72; Publ. 06.10.80.<br />
38. Ogan K.L., Reese C, Scott R.P.W. // J. Chromatogr. Sci. 1982. Vol. 20.<br />
P. 425.<br />
39. Установка для изготовления стеклянных капиллярных колонок / Ин-т.<br />
нефтехим. синтеза им. В.А. Топчиева, АН СССР. M., 1974. (Проспект).<br />
40. Установка для изготовления стеклянных капиллярных колонок /<br />
Ин-т. орган, химии им. Н.Д. Зелинского, АН СССР. M., 1980.<br />
(Проспект). А.с. 717090 СССР. Заявл. 27.12.78.<br />
41. Desty D.H., Goldup A., Swanton W.T. // Gas chromatography / Ed. N.<br />
Brenner etal. N.Y.; L.: Acad, press, 1962. P. 105.<br />
42. Schuties CP.M., Verner E.A., Rijks J.A., Craners CA. // J. Chromatogr.<br />
1982. Vol. 253, N l.P. 1-16.<br />
43. ScottR.P.W. //Nature. 1960. Vol. 185. P. 312.<br />
44. Dandeneau R.D., Zerenner E.H. // J. High Resolut. Chromatogr.<br />
Chromatogr. Commun. 1979. Vol. 2. P. 351-356.<br />
45. Dandeneau R.D., Bente P., Roony T., Hiskes R. // Intern. Lab. 1979. Vol. 9,<br />
N 6. P. 69-78.<br />
46. Lipsky S.R., McMurrey WJ., Hernandez M. et al. // J. Chromatogr. Sci.<br />
1980. Vol. 18, N l.P. 1-9.<br />
47'. Lipsky S.R., McMurrey WJ. II Advances of chromatography, 1981.<br />
Amsterdam: Elsevier, 1981. P. 195-201.<br />
48. Saito H. I/ J. Chromatogr. 1982. Vol. 243, N 2. P. 189-206.<br />
49. Henly R.S., Wurfl J.A., McKinley SL., Ramachandran S. // Abstr. Papers<br />
Pittsburgh Conf. Anal. Chem. and Appl. Spectroscopy, Atlantic City, N. J.<br />
Pittsburgh, (Pa.), 1980. P. 207.<br />
50. Hurt S.G., Baudean J.E., Purcell J.E. // Chromatogr. Newslett. 1980. N 2.<br />
P. 32-34.<br />
51. Jennings W. I/ J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1980.<br />
Vol. 3, N 12. P. 601-608.<br />
52. Novotny M.V. H Science. 1989. Vol. 246, N 4926.<br />
53. De Zeeuw J., De Nijs R.C.M., Hendrick LJ. // J. Chromatogr. Sci. 1987.<br />
Vol. 25. P. 71.<br />
54. Feenney MJ., Harland JJ., Knitter J.A. Il Abstr. Pap. Pittsburgh Conf.,<br />
Expos. Anal. Chem. and Appl. Spectroscopy, New York, 1990. N.Y., 1990.<br />
P. 156.<br />
55. Halasz I. // Gas chromatography / Ed. N. Brenner et al. N.Y.; L.: Acad.<br />
press. 1962. P. 560.<br />
56. Onuska F.1., Afghan BX., Wilkinson RJ. II J. Chromatogr. 1978. Vol. 158,<br />
P. 83-90.<br />
206<br />
57. Wright B.W., Lee ML., Graham S.W. et al. // Ibid. 1980. Vol. 199.<br />
P. 355-369.<br />
58. Schomburg G., Husmann H., Behlau H. // Ibid. 1981. Vol. 203. P. 179-191.<br />
59. Golovnya R.V., Samusenko AL. // Ibid. Vol. 217. P. 183-190.<br />
60. Ettre L.S. Il Meth. Phys. Anal. 1969. Vol. 5. P. 167.<br />
61. Weiher R. Thesis / Kark-Marx-Univ. Leipzig, 1964.<br />
62. Leibnitz W., Mohnke M. // Chem. Technol. 1962. Vol. 14. P. 753.<br />
63. Kiselev A.V. I/ Gas chromatography, 1962 / Ed. M. van Swaay. L.:<br />
Butterworths, 1962. P. 3.<br />
64. Novotny M., Zlatkis A. // Chromatogr. Rev. 1971. Vol. 14. P. 1.<br />
65. Novotny M., Tesafik K. // Chromatographia. 1968. Vol. 1. P. 332.<br />
66. Schieke J.D., Comins N.R., Pretorius V. // Ibid. 1975. Vol. 8. P. 354.<br />
67. Pretorius V., Desty D.H. // J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr.<br />
Commun. 1981. Vol. 4, N 1. P. 38-39.<br />
68. Schomburg G., Husmann H., Weeke F. // Chromatographia. 1977. Vol. 10.<br />
P. 580-587.<br />
69. Lipsky S.R., McMurray WJ. // J. Chromatogr. 1981. Vol. 217. P. 3-<br />
17.<br />
70. Калмановский В.И., Киселев А. В. ,Лебедев В.Р. и др.//Журн. физ. химии.<br />
1962. T. 35. С. 1386.<br />
71. Kiselev A.V., Shcherbakowa K.D. // Gas-Chromatographie, 1961 / Ed.<br />
M. Schroter, K. Metzner. В.: Akad.-VerL, 1962. S. 207.<br />
72. Бабкин И.Ю., Киселев А.В. // Докл. АН СССР. 1962. T. 129. С. 357.<br />
73. Киселев А.В., Яшин Я.И. Адсорбционная газовая и жидкостная хроматография.<br />
M.: Химия, 1979.<br />
74. Riedo F., Czencz M., Liardou О., Kovats E. // HeIv. chim. acta. 1978.<br />
Vol. 61. P. 1912.<br />
75. Grob K., Grob G., Grob K., Jr. //]. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr.<br />
Commun. 1979. Vol. 2. P. 31.<br />
76. Lee ML., Wright BW. //J. Chromatogr. 1980. Vol. 184. P. 235.<br />
77. Blackman L.S.F., Harrop R. I IJ. Appl. Chem. 1968. Vol. 18. P. 37.<br />
78. Novotny M., Bartle K.D. // Chromatographia. 1970. Vol. 3. P. 272.<br />
79. Сидоров A.H. H Журн. физ. химии. 1956. T. 30. С. 995.<br />
80. Folman M., Yates DJ.G. // Proc. Roy. Soc. London, A. 1958. Vol. 246.<br />
P. 32.<br />
81. Lowen W.K., Broge E.C IIJ. Phys. Chem. 1956. Vol. 30. P. 995.<br />
82. Ballard S.S., Broge E.C, Iler R.K. et al. // Ibid. 1961. Vol. 65.<br />
P. 20.<br />
83. Wartmann J., Deuel H. // Chimia. 1958. Vol. 12. P. 455.<br />
84. Weiss A., ReiffS., Weiss A. //Ztschr. anorg. und allg. Chem. 1961. Bd. 311.<br />
S. 151.<br />
85. Grob K., Grob G. Il J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun.<br />
1980. Vol. 3, N 4. P. 197.<br />
86. Grob K. Il Ibid. N 10. P. 493-497.<br />
87. Godefroot M., Van Relenbosch M., Verstappe M. et al. // Ibid. N 7.<br />
P. 493^97.<br />
88. Schutjes CP.M., Vermeer E.A., Cramers CA. // J. Chromatogr. 1983.<br />
Vol. 279. P. 49-57.<br />
207
89. Traitler A., Prevo A. Il J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr.<br />
Commun. 1981. Vol. 4. P. 433^36.<br />
90. Schomburg G., Husman /7., Behlau H. // Chromatographia. 1980. Vol. 13,<br />
N 6. P. 321-333.<br />
91. Blomberg L., BuijtenJ., Markides K., Wannman T. Il J. Chromatogr. 1983.<br />
Vol. 279. P. 9-20.<br />
92. Welsch Th., Engewald W., Klaucke Ch. // Chromatographia. 1977. Vol. 10,<br />
N 1. P. 22-24.<br />
93. Maskarines M.P., Olerich G. Il Anal. Chem. 1980. Vol. 52, N 3.<br />
P. 588-591.<br />
94. Blomberg L., Markides K., Wannman T. // J. High Resolut. Chromatogr.<br />
Chromatogr. Commun. 1980. Vol. 3, N 10. P. 527-528.<br />
95. McKeay R.G., Hougen F.W. // J. Chromatogr. 1977. Vol. 136, N 2.<br />
P. 308-310.<br />
96. MacKenzie S.L., Hogge L.R. Il Ibid. 1978. Vol. 147. P. 388-394.<br />
97. Madani C., Chambaz EM., Rigaud M. et al. // Chromatographia. 1977.<br />
Vol. 10, N8. P. 466-472.<br />
98. Madani C.. Chambaz EM. // Ibid. 1978. Vol. 11, N 12. P. 725-730.<br />
99. Grob K., Grab G. // J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun.<br />
1980. Vol. 3, N 4. P. 197-198.<br />
100. Grob K. II Ibid. N 10. P. 493-496.<br />
m.Badings HJ., WassinkJ.G. Il Ibid. N 1. P. 21-22.<br />
102. Schomburg G., Husmann H., Borwisky H. II Chromatographia. 1979.<br />
Vol. 12, N 11. P. 651.<br />
103. Aue W.A., Hastings CR., Kapila S. /Ii. Chromatogr. 1973. Vol. 77. P. 299.<br />
104. Cronin D.A. I I Ibid. 1974. Vol. 97. P. 263.<br />
105. Bromberg L., Wannman T. // Ibid. 1978. Vol. 148, N 2. P. 379-387.<br />
106. De Nijs R.C.M., Franken JJ., Dooper R.P.M. et al. // Ibid. Vol. 167.<br />
P. 231-241.<br />
107. Dandeneau R., Bente P., Rooney P.,Hiskes R. Il Amer. Lab. 1979. Vol. 11,<br />
N 9. P. 61-69.<br />
108. Franken JJ., De Nijs R.C.M., Schulting F.L. Il J. Chromatogr. 1977.<br />
Vol. 144, N 2. P. 253-256.<br />
109. Lipsky S.R., McMurray WJ. // Ibid. 1983. Vol. 279. P. 59-68.<br />
110. Lipsky S.R., McMurray WJ. // Ibid. 1982. Vol. 239. P. 61-69.<br />
111. Arrendale R.F., Severson R.F., Chortyk OJ. Il Ibid. 1981. Vol. 208, N 2.<br />
P. 209-216.<br />
112. Marcelin G., TraynorS.G., Goins W., HirschyLM. //Ibid. 1980. Vol. 187,<br />
N 1, P. 57-64.<br />
113. Novotny M., Grohnamm K. // Ibid. 1973. Vol. 84, N 1, P. 167-170.<br />
114. Neu HJ.fieeg FJ. Hi. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun.<br />
1980. Vol. 3, N 11. P. 537-544.<br />
WS.Parwell SO., Gluck SJ. Il Anal. Chem. 1980. Vol. 52, N 12.<br />
P. 1968-1971.<br />
116. Tanner D.W., Pope D., Potter C, West D. Il J. Appl. Chem. 1964. Vol. 14.<br />
P. 361.<br />
117. Emmons H. // Trans. Amer. Inst. Chem. Eng. 1939. Vol. 35. P. 109.<br />
118. Metcalfe L.D., Martin RJ. // Anal. Chem. 1967. Vol. 39. P. 1201.<br />
208<br />
119. Mon T.R., Forrey R.R., Teranishi R. // J. Gas Chromatogr. 1967. Vol. 5.<br />
P. 407.<br />
120. Хромченко ЯЛ., Руденко Б.A. Il Журн. аналит. химии. 1981. T. 36,<br />
№ 10. С. 2006-2012.<br />
121. Березкин ВТ., Колбановский Ю.А., Кязимов Е.А., Пахомов В.П. //<br />
Изв. АН СССР. Сер. хим. 1967. № 7. С. 1424.<br />
122. Abel E.W., Pollard F.H., Uden P.С, Nickless G. Il J. Chromatogr. 1966.<br />
Vol. 22. P. 23.<br />
123. Groenendijk H., Van Kemenade A.W.C. // Chromatographia. 1969. Vol. 2.<br />
P. 107.<br />
124. KirklandJJ., Di Stefano JJ. // J. Chromatogr. Sci. 1970. Vol. 8. P. 309.<br />
125. Liberty A. // Gas chromatography, 1966 / Ed. A.B. Littlewood.<br />
Amsterdam: Elsevier, 1967. P. 95.<br />
126. Grob K. //Ibid. P. 113.<br />
127. Pretorius V., du Toil J.W., Purnell J.H. // J. High Resolut. Chromatogr.<br />
Chromatogr. Commun. 1980. Vol. 3, N 6. P. 303-305.<br />
128. Beckman R.A., Green CR., Best F.W. I/ Anal. Chem. 1978. Vol. 50, N 11.<br />
P. 2157-2158.<br />
129. Mistryukov E.A., Samusenko AL., Golovnya R.V. // J. Chromatogr. 1979.<br />
Vol. 169. P. 391-396.<br />
130. Dirkes W.E., Rubey W.A., Pantano CG. Il J. High Resolut. Chromatogr.<br />
Chromatogr. Commun. 1980. Vol. 3, N 6. P. 303-305.<br />
UX.Driessen 0., Lugtenberg J. Il Ibid. N 8. P. 405^10.<br />
132. Stark TJ., Dandeneau R.D. Il Abstr. Pap. Pittsburgh Conf. Anal. Chem.<br />
and Appl. Spectroscopy, Atlantic City, N.J., 1980. Pittsburgh, (Pa.), 1980.<br />
P. 2.<br />
133. Lee ML., Peaden PA. // Ibid. P. 3.<br />
134. Grob K., Jr. //i. Chromatogr. 1981. Vol. 208, N 2. P. 217-229.<br />
135. Schomburg G., Husman H. Pat. 2517375, FRG. Appl. 19.04.75; Publ.<br />
28.10.76.<br />
136. Schomburg G., Husmann H. // Chromatographia. 1975. Vol. 8.<br />
P. 517.<br />
137'.Schomburg G. Il 29th Pittsburg Conf. State Art Anal. Chem., Applied<br />
Spectroscopy, Cleveland, Ohio, 1978: Abstracts. Monroeville, 1978.<br />
138. Alexander G., Lipsky S.R. Il Chromatographia. 1977. Vol. 10, N 10.<br />
P. 487-491.<br />
139. Blomberg L. // J. Chromatogr. 1977. Vol. 138, N LP. 7-16.<br />
140. Hdlasz /., Horvath C II Anal. Chem. 1963. Vol. 35. P. 499.<br />
141. Bouche J., Verzele M. // J. Gas Chromatogr. 1968. Vol. 6. P. 501.<br />
142. Ilkova EL., Mistryukov E.A. J. Chromatogr. Sci. 1971. Vol. 9. P. 569.<br />
143. Ilkova EL., Mistryukov E.A. // J. Chromatogr. 1971. Vol. 54. P. 422.<br />
144. Ilkova EL., Mistryukov E.A. // Chromatographia. 1971. Vol. 4. P. 77.<br />
145. Jennings W.G., Yabumoto K., Wohleb R.N. // J. Chromatogr. Sci. 1974.<br />
Vol. 12. P. 344.<br />
146. Volkov SM., Goryaev VM., Anikeyev V.I., Khripach V.A. // J. Chromatogr.<br />
1980. Vol. 190, N 2. P. 445-447.<br />
147. Grob K., Grob G. Il J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun.<br />
1982. Vol. 5, N 3.P. 119-123.<br />
209
148. Sandra P., VerzeleM. //Chromatographia. 1978. Vol. 11, N 2. P. 102-103.<br />
149. Thompson J.C., Schaultz N.G. Il J. High Resolut. Chromatogr.<br />
Chromatogr. Commun. 1980. Vol. 3, N 2. P. 91.<br />
150. Schafers FJ., Herrmann K. // Ibid. 1981. Vol. 4, N 4. P. 183.<br />
151. Buyten J'., Blomberg L., Markides K., Wannman T. //J. Chromatogr. 1982.<br />
Vol. 237, N 3. P. 465.<br />
152. Grab K., Grob G., Grob K., Jr. // J. High Resolut. Chromatogr.<br />
Chromatogr. Commun. 1979. Vol. 2. P. 677.<br />
153. Blomberg L., Bujten J., Gawdzik J., Wannman T. II Chromatographia.<br />
1978. Vol. 11, N 9. P. 521-525.<br />
154. Czajkowska T. //J. Chromatogr. 1982. Vol. 243, N 1. P. 35-42.<br />
155. Grob K., Grob G., Grob K., Jr. // J. Chromatographia. 1977. Vol. 10.<br />
P. 161.<br />
156. Arrendale R.F., Severson R.F., Chortyk OJ. Il J. Chromatogr. 1981.<br />
Vol. 208. P. 209.<br />
157. Goodwin BL. // Ibid. 1979. Vol. 172. P. 31-36.<br />
158. Golay MJ. // Anal. Chem. 1968. Vol. 40. P. 382.<br />
159. Mohnke M., Saffert W. // Kernenergie. 1962. Vol. 5. P. 434.<br />
160. Leipnitz W., Mohnke M. // Chem. Technol. 1962. Vol. 14. P. 753.<br />
161. Struppe H.-G. Il Handbuch der Gas-Chromatographie / Ed. E. Leibhitz,<br />
H.-G. Struppe. Leipzig: Akad.-Verl., 1966. S. 329.<br />
162. Васильева B.C., Зубарев А.Ф., Киселев В .А. и др. // Газовая хроматография.<br />
M.: ВНИИТЭХИМ, 1969. Вып. 9. С. 104.<br />
163. Krupcik J., Kristin M., Valachovieova M., Janiga S. Il J. Chromatogr.<br />
1976. Vol. 126. P. 147-160.<br />
164. Kaeser KJ. Uber die Entwicklung von Glasskaaillaren und die Analytik<br />
von Geruchschtoffen Diss. Dokt. Naturwiss. Techn. Univ. Munchen, 1979.<br />
160 s.<br />
165. Alexander G., Rutten G.A.F.M. // Chromatographia. 1973. Vol. 6. P. 231.<br />
166. Alexander G., Rutten G.A.F.M. // J. Chromatogr. 1974. Vol. 95. P. 229;<br />
Vol. 99. P. 81.<br />
166. Franken JJ., Rutten G.A.F.M., RijksJ.A.S. Il Ibid. 1976. Vol. 126. P. 117.<br />
167. Badings H.T., Van der Pol J.J.G., Schmidt D.G. Il Chromatographia. 1977.<br />
Vol. 10, N8. P. 404-411.<br />
168. Watanabe T. Pat 52-36034, Jap. Appl. 19.1273; Publ. 13.09.77.<br />
169. Tomita H., Sato K., Watanabe C. //J. Nat. Chem. Lab. Ind. 1979. Vol. 74,<br />
N 9. P. 349-355. (Jap., Engl. Summary).<br />
170. Sandra P., Verstappe M., Verzele M. // Chromatographia. 1978. Vol. 11,<br />
N 4. P. 223-226.<br />
171. Schieke J.D., Comins N.R., Pretorius V. /I J. Chromatogr. 1975. Vol. 112.<br />
P. 97.<br />
173. Schieke J.D., Comins N.R., Pretorius V. // Ibid. Vol. 115. P. 373.<br />
174. Schieke J.D., Comins N.R., Pretorius V. // Chromatographia. 1975. Vol. 8,<br />
N 7. P. 354.<br />
175. Schieke J.D., Comins N.R., Pretorius V. // J. Chromatogr., 1975. Vol. 114.<br />
P. 190-192.<br />
176. Schieke J.D., Pretorius V. // Ibid. 1977. Vol. 132, N 2. P. 217-222.<br />
177. Schieke J.D., Pretorius V. // Ibid. P. 223-230.<br />
210<br />
178. Schieke J.D., Pretorius V. /I Ibid. P. 231-236.<br />
179. Tesafik K., Komarek., Hlavidkova H., Churacek J. I I Chem. listy, 1980.<br />
Sv. 74, N 3. S. 297-307.<br />
180. Tesafik K., Komarek., Hlavickova H., Churacek J. Il Ibid. 1981. Sv. 75,<br />
N 10. S. 1085-1090.<br />
181. OnuSkaF.L, CombaM.E. //J. Chromatogr. 1976. Vol. 126. P. 133.<br />
182. Onu&ka FJ., Comba M.E. // Chromatographia. 1977. Vol. 10, N 8.<br />
P. 498-503.<br />
183. Blumer M. // Anal. Chem. 1973. Vol. 45. P. 980.<br />
184. NikellyJ.G., Blumer M. //Amer. Lab. 1974. Vol. 6. P. 12.<br />
185. German AL., Horning E.C. IIJ. Chromatogr. Sci. 1973. Vol. 11. P. 76.<br />
186. Bertsch W., Shunbo F.S., Chang R.C., Zlatkis A. /I Chromatographia. 1974.<br />
Vol. 7. P. 128.<br />
187. German AL., Pfaffenberger CD., ThenotJ.P. et al. // Anal. Chem. 1973.<br />
Vol. 45. P. 930.<br />
188. Horning E.C, Horning M.G., Szafranek J. et al. // J. Chromatogr. 1974.<br />
Vol. 91. P. 367.<br />
189. Pfaffenberger CD., Horning E.C. Il Ibid. 1975. Vol. 112. P. 581.<br />
190. Mathews R.,Torres J., Schwartz R. // Ibid. 1979. Vol. 186. P. 183-188.<br />
191. Mathews R.,Torres J., Schwartz R. // Ibid. 1980. Vol. 199. P. 97-<br />
104.<br />
192. Badings H.T., Van der Pol JJ.G., Wassink J.G. Il Ibid. 1981. Vol. 203.<br />
P. 227-236.<br />
193. Mathews R.G., Schwartz R.D., Pfaffenberger CD. et al. // Ibid. 1974.<br />
Vol. 99. P. 51.<br />
194. Nesvadba K., Matena J., Odstrcil L., Slavik M. I I Chem. Pram. 1966.<br />
Vol. 16. P. 194.<br />
195. Nikelly J.G. II Anal. Chem. 1972. Vol. 44. P. 623-625.<br />
196. Ettre L.S., Purcell J.E. // Advances in Chromatography. N.Y.: Dekker,<br />
1974. Vol. 10. P. 1.<br />
197. Chauhan J., Darbre A. // J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr.<br />
Commun. 1981. Vol. 4. P. 11-16.<br />
198. Chauhan J., Darbre A. // J. Chromatogr. 1982. Vol. 236. P. 151-<br />
156.<br />
199. De HijsR.CM., DeZeeuwJ. //Ibid. 1983. Vol. 279. P. 41-48.<br />
200. Grob K., Grob G. 11 Ibid. 1976. Vol. 125, N 3. P. 471.<br />
201. Grob K., Grob G., Grob K., Jr. Il Chromatographia. 1977. Vol. 10, N 4.<br />
P. 181-187.<br />
202. Grob K., Grob G. Il Wiss. Ztschr. Karl-Marx-Univ. Leipzig. Math.-naturwiss.<br />
R. 1977. Bd. 26, N 4. S. 379-386.<br />
203. Grob K., Grob G., Grob K., Jr. // J. High Resolut. Chromatogr.<br />
Chromatogr. Commun. 1978. Vol. 1, N 3. P. 149-155.<br />
204. Grob K., Grob G., Grob K., Jr. // Ibid. 1979. Vol. 1, N 3. P. 31.<br />
205. Grob K., Grob G. Il Ibid. Vol. 2. P. 527.<br />
206. Grob K. H Ibid. P. 599.<br />
207. Grob K., Guenter J.R., Portmann A. Il J. Chromatogr. 1978. Vol. 147.<br />
P. 111-117.<br />
208. Grob K.. Grob G. //Chimia. 1977. Vol. 31, N 5. P. 175-179.<br />
211
209. Grob K., Grob G., Grob К., Jr. // J. High Resolut. Chromatogr.<br />
Chromatogr. Commun. 1979. Vol. 2. P. 672.<br />
210. Pretorius V., Du Toil J.W., Davidtz J.C. // Ibid. 1981. Vol. 4, N 2.<br />
P. 79-80.<br />
211. Arrendale R.F., Smith L.B., Rogers LB. // Ibid. 1980. Vol. 3, N 3,<br />
P. 115-123.<br />
212. Goretti G., Liberti A., Nota G. // Gas chromatography, 1968 / Ed. G.L.A.<br />
Harbourn. L.: Inst. Petrol, 1968. P. 30.<br />
213. Goretti G., Liberti A., Ciardi M. // Essenze Diriv. Agrum. 1977. Vol. 47,<br />
N 3. P. 269-285.<br />
214. Goretti G., Liberti A., PiIi G. // J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr.<br />
Commun. 1978. Vol. 1, N 3. P. 143-148.<br />
215. Grant D.W. //J. Gas Chromatogr. 1969. Vol. 6. P. 18.<br />
216. Cronin D.A. //J. Chromatogr. 1970. Vol. 48. P. 406.<br />
217. Thiecke RJ., Van den Berg LM.M., Deelder R.S., Ramaeker JJM. // Ibid.<br />
1978. Vol. 160, N 1. P. 264-270.<br />
218. Руденко Б.А. Капиллярная хроматография. М.: Наука, 1978.<br />
219. Pretorius V., Du Toit J.W., Purnell J.H. // J. High Resolut. Chromatogr.<br />
Chromatogr. Commun. 1981. Vol. 4. P. 344-345.<br />
220. Burrows R., Cooke M., Gillespie D.G. Il J. Chromatogr. 1983. Vol. 260,<br />
N LP. 168-172.<br />
221. Grob K. Il J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun.1980.<br />
Vol. 3. P. 493.<br />
222. Grob K. H Ibid. P. 337.<br />
223. Schomburg G., Dielmann R., Borwitzky H., Hussmann H. // J. Chromatogr.<br />
1978. Vol. 167. P. 337-354.<br />
224. BlombergL., Wdnnman T. // JIbid. 1979. Vol. 168, N 1. P. 81-88.<br />
225. Taylor PJ., Harris F.W. Pat. 4054432 US Appl. 11.06.76; Publ. 11.10.77.<br />
226. Madani C., Chambaz EM., Rigaud M. et al. Il J. Chromatogr. 1976.<br />
Vol. 126, N 3.P. 161-169.<br />
227. Rigaud M., Chebroux P., DurandJ. et al. // Tetrahedron Lett. 1976, N 44.<br />
P. 3935-3938.<br />
228. Madani C., Chambaz EM. // Chromatographia. 1978. Vol. 11, N 12.<br />
P. 725-730.<br />
229. Sandra P., Redant G., Schacht E., Verzele M. // J. High Resolut.<br />
Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1981. Vol. 4. P. 411-412.<br />
230. Waennman T. // Ibid. P. 578-579.<br />
231. Grob K., Grob G. // J. Chromatogr. 1981. Vol. 213. P. 211-221.<br />
232. Masada Y., Hashimoto K., Inoue T. et al. // Yakugaku Zasshi = J. Pharm.<br />
Soc. Jap. 1977. Vol. 97, N 5. P. 473^178.<br />
233. OnuSka F.1., Comba M.E., Bistrick T., Wilkinson RJ. // J. Chromatogr.<br />
1977. Vol. 142. P. 117-125.<br />
234. Grob K. II Chromatographia. 1977. Vol. 10, N 10. P. 625.<br />
235. Grob K. //Chimia. 1977. Vol. 31, N 9. P. 336.<br />
236. Wright B.W., Peaden P.A., Lee ML., Stark TJ. // J. Chromatogr. 1982.<br />
Vol. 248. P. 17.<br />
237. Blomberg L. Bujten J., Markides K., Wannman T. // Ibid. Vol. 239. P. 51.<br />
238. Grob K., Grob G., Grob K., Jr. // Ibid. 1981. Vol. 211, N 3. P. 243-246.<br />
212<br />
239. Grob K., Grob G., Grob K., Jr. // J. High Resolut. Chromatogr.<br />
Chromatogr. Commun. 1981. Vol. 4. P. 491.<br />
240. Blomberg L., Wannman Th. Hi. Chromatogr. 1979. Vol. 186. P. 159-166.<br />
241. Blomberg L., Bujten J., Markides K., Wdnnman Th. Il Ibid. 1981. Vol. 208,<br />
N2, P. 231-238.<br />
242. Blomberg L., Markides K., Wannman Th. // Ibid. Vol. 203. P. 217-226.<br />
243. Lee ML., Peaden PA., Wright B.W. Il Pittsburgh Conf., Atlantic City,<br />
N.J., March 9, 1982: Abstracts. Pittsburgh (Pa.), 1982, N 298.<br />
244. Blomberg L., Buiten L., Markides K., Wannman T. Il J. Chromatogr. 1982.<br />
Vol. 239. P. 51.<br />
245. Lipsky S.R., McMurray WJ. // Ibid. P. 61.<br />
246. Richter B.E., KuelJ.C, Shelton J.L et al. // Ibid. 1983. Vol. 279. P. 21-30.<br />
247. Springston S.R., Melda K., Novotny M.V. // Ibid. Vol. 267. P. 395-398.<br />
248. Wright B.W., Lee ML., Graham S.W. et al. // Ibid. 1980. Vol. 199. P. 355.<br />
249. Welsch T., Engevald W., Klaucke C. H Chromatographia. 1977. Vol. 10.<br />
P. 22.<br />
250. Bujten G., Blomberg L., Hoffmann S. et al. // J. Chromatogr. 1984.<br />
Vol. 283. P. 341-346.<br />
251. Anon. Il Ibid. 1987. Vol. 409. P. 251-258.<br />
252. Grob K., Grob G., Blum W., Walther W. // Ibid. 1982. Vol. 244.<br />
P. 197-208.<br />
253. Grob K., Grob G. Il J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun.<br />
1982. Vol. 5, N 3.P. 119-123.<br />
254. Grob K., Grob G., Grob K., Jr. // J. Chromatogr. 1981. Vol. 219. P. 13.<br />
255. Averill W. // Progress in industrial gas chromatography. N.Y.: Plenum<br />
press, 1961. Vol. 1. P. 225-230.<br />
256. Ettre L.S. Introduction to open tubular columns. Norwalk (Conn.):<br />
Perkin-Elmer, 1978.<br />
257. GiddingsJ.C. Il Anal. Chem. 1964. Vol. 36. P. 741.<br />
258. Anon. Il J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1997.<br />
Vol. 20. P. 122.<br />
259. Ettre L.S. I/ Ibid. 1998. Vol. 21. P. 121-123.<br />
260. Suprynowicz Z., Gorgol A., Woicik J. // J. Chromatogr. 1978. Vol. 148,<br />
N LP. 151-157.<br />
261. De Nijs R.C.M., Dooper R.P.M. // J. High Resolut. Chromatogr.<br />
Chromatogr. Commun.1980. Vol. 3, N 11. P. 583-584.<br />
262. Cramers CA., Vermeer EA., Franken JJ. // Chromatographia. 1977.<br />
Vol. 10, N6. P. 412-418.<br />
263. Yang EJ., Cram S.P., Brown A.C., McCoy R.N. Il Abstr. Pittsburgh Conf.<br />
Anal. Chem., Appl. Spectroscopy, Cleveland, Ohio, 1977. Pittsburgh<br />
(Pa.), 1972.<br />
264. Kaiser R. // Chromatographia. 1976. Vol. 9, N 8. P. 337.<br />
265. Kaiser R. // Ibid. 1975. Vol. 8, N 8. P. 491.<br />
266. Kaiser R. /I Ibid. 1976. Vol. 9, N 8. P. 463.<br />
267. Kaiser R., Reider R. // Ibid. 1977. Vol. 10, N 8, P. 455^65.<br />
268. Guiochon G. // Ibid. 1978. Vol. 5, N 8. P. 422.<br />
269. Ettre L.S. Hi. Gas Chromatogr. 1963. Vol. 1, N 2, P. 36-47.<br />
270. Grob K., Grob G. Il Chromatographia. 1971. Vol. 4, N 8. P. 422.<br />
213
271. Grob K., Grob G., Grob К., Jr. // J. Chromatogr. 1978. Vol. 156, N. 1.<br />
P. 1-20.<br />
272. Grob К., Grob G., Grob К., Jr. // Ibid. 1981. Vol. 219, N 1, P. 13-20.<br />
273. Goretti G., Liberli A. // Ibid. 1978. Vol. 161. P. 89-95.<br />
274. Yang F.G., Brown A.C., Cram S.P. Il Amer. Lab. 1978. Vol. 10 N 8<br />
P. 57-66.<br />
275. Einig R.G., MacDonald JL. // Anal. Chem. 1976. Vol. 48, N 14.<br />
P. 2281-2284.<br />
276. Sandra P., Verzele M. // Chromatographia. 1977. Vol. 10, N 8. P. 419-425.<br />
277. Yabumoto K., Van den Heuvel WJ. // J. Chromatogr. 1977. Vol. 140, N 3.<br />
P. 197-207.<br />
278. Parker DA., Marshall JL. // Chromatographia. 1978. Vol. 11, N 9.<br />
P. 526-533.<br />
279. Shibamoto T., Harada K., Yamaguchi K., Aitoku A. // J. Chromatogr. 1980.<br />
Vol. 194, N 3.P. 277-284.<br />
280. HakenJ.K. //Ibid. 1984. Vol. 300, N 1. P. 1-77.<br />
281. HakenJ.K., ObitaJ.A. //Ibid. 1982. Vol. 244. P. 259, 265.<br />
282. Haken J.K., Rohanna M.A. // Ibid. 1984. Vol. 298. P. 263.<br />
283. Haken J.K., Korhonen I.O.O. // Ibid. 1983. Vol. 257. P. 267.<br />
284. Haken J.K., Korhonen 1.0.0. II Ibid. Vol. 268. P. 511.<br />
285. ltsikson L.B., Berezkin V.G., Haken J.K. // Ibid. 1985. Vol 334<br />
P. 1-33.<br />
286. Cram S.P., Lang FJ. // In. Res. Develop. 1978. Vol. 20, N 4<br />
P. 89-95.<br />
287. Eklund G., Roos C. // Kern. Tidskr. 1980. Vol. 92, N 2. P. 22-28.<br />
288. Ofstad E.B., Drengsholt H. I I Kjimi. 1980. Vol. 40, N 11. P. 28-31.<br />
289. Lee ML., Wright W. // J. Chromatogr. 1980. Vol. 184, N 3. P. 235-<br />
312.<br />
290. Houtermans WJ., BaI ML. // Abstr. Pap. Pittsburgh Conf. Anal. Chem.,<br />
Appl. Spectroscopy, Atlantic City, NJ., 1980. Pittsburgh (Pa.), 1980.<br />
P. 205.<br />
291. Alexander G. //Chromatographia. 1981. Vol. 14, N 1. P. 55-66.<br />
292. Berhtou F. // Spectra 2000. 1981. Vol. 9, N 64. P. 37^1; N 65. P. 45-56.<br />
293. Schomburg G., Husman H., Behlau H. // J. Chromatogr. 1981. Vol. 203.<br />
P. 179-191.<br />
294. Grob K. Il Ibid. Vol. 205, N 2. P. 289-296.<br />
295. Houtermans WJ., BaI ML. // Abstr. Pap. Pittsburgh Conf. Anal. Chem.,<br />
Appl. Spectroscopy, Atlantic City, N.J., 1980. Pittsburgh (Pa.), 1980.<br />
P. 206.<br />
296. Driessen 0., Emonds A., Lugtenburg J. // J. Chromatogr. 1982. Vol. 234,<br />
N2. P. 303-312.<br />
297. Spark A.A., Ziervogel M. // J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr.<br />
Commun. 1980. Vol. 3, N 12. P. 641-642.<br />
Глава 6<br />
НЕКОТОРЫЕ НЕПОДВИЖНЫЕ ФАЗЫ<br />
ДЛЯ КАПИЛЛЯРНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ<br />
6.1. НЕПОДВИЖНЫЕ ФАЗЫ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ<br />
Значительные успехи газовой хроматографии, обеспечившие<br />
широкое распространение этого метода разделения и анализа веществ,<br />
в большой степени связаны с тем, что при относительно<br />
невысокой эффективности наполненных колонок в них можно<br />
было использовать широкое многообразие различных неподвижных<br />
фаз, из которых во многих случаях удавалось выбрать достаточно<br />
селективные материалы, обеспечивающие желаемое разделение.<br />
К сожалению, не всякая неподвижная фаза, хорошо зарекомендовавшая<br />
себя при работе на наполненных колонках, позволяла<br />
приготовить капиллярные колонки высокого качества. Однако<br />
достаточно широкое распространение кварцевых капиллярных<br />
колонок в большой степени способствовало распространению<br />
иной точки зрения на эту проблему. Эта точка зрения включает<br />
представление о том, что при наличии высококачественных,<br />
высокоэффективных и достаточно инертных капиллярных колонок<br />
нет необходимости в подборе каких-либо особо селективных<br />
неподвижных фаз, и для решения любой (или почти любой!)<br />
задачи разделения достаточно иметь лишь ограниченный набор<br />
таких неподвижных фаз. Действительно, в начале распространения<br />
кварцевых колонок в конце 1970-х и в начале 1980-х гг. эти<br />
колонки высокого качества удавалось получать только с неполярными<br />
полисилоксанами и с полиэтиленгликолем [1]. Однако<br />
такие колонки благодаря их высокой эффективности позволяли<br />
решать огромное большинство проблем разделения, возникающих<br />
в химико-аналитической практике.<br />
Таким образом, среди специалистов в области газовой хроматографии<br />
утвердилась вторая крайняя точка зрения: для решения<br />
215
любой задачи разделения необходимо в первую очередь подобрать<br />
достаточно доступную высокоэффективную и инертную капиллярную<br />
колонку с одной из немногих неподвижных фаз,<br />
доступных для ее изготовления. Проблема же подбора селективных<br />
неподвижных фаз стала рассматриваться как второстепенная.<br />
Действительно, имеется целый ряд факторов, затрудняющих<br />
приготовление высокоэффективных капиллярных колонок<br />
с полярными неподвижными фазами. С ростом полярности<br />
возрастает поверхностное натяжение. Поэтому для равномерного<br />
распределения полярных неподвижных фаз на поверхности<br />
стеклянных и кварцевых капилляров необходимо<br />
обеспечить наличие на этой поверхности подходящих химических<br />
групп, способных к надлежащим межмолекулярным взаимодействиям,<br />
включая ковалентное связывание с неподвижной<br />
фазой. К сожалению, все эти меры обычно приводят к увеличению<br />
адсорбционной активности и к снижению стабильности<br />
получаемых капиллярных колонок.<br />
Тем не менее в течение длительного времени развития капиллярной<br />
хроматографии было выявлено довольно большое число<br />
новых неподвижных фаз, обладающих особыми преимуществами<br />
или позволяющих решать те или иные специфические задачи<br />
разделения. Ниже будут рассмотрены наиболее важные и интересные<br />
представители таких групп, успешно использовавшиеся<br />
при приготовлении стеклянных и кварцевых капиллярных колонок.<br />
Характеристики основных типов неподвижных фаз, применяемых<br />
в газовой хроматографии, достаточно подробно описаны в<br />
многочисленных монографиях и справочниках, например в [2-8].<br />
С точки зрения капиллярной хроматографии наибольший интерес<br />
представляют специально синтезированные для газовой хроматографии<br />
полисилоксановые полимеры с узким молекулярномассовым<br />
распределением и полиэтиленгликоли и полипропиленгликоли<br />
с молекулярной массой от 2000-4000 до 10 6 а.е.м.<br />
и выше. В ранний период развития газовой хроматографии в качестве<br />
неподвижных фаз использовали, в основном, силиконовые<br />
полимеры общепромышленного назначения [9, 10], однако<br />
позже стали применять материалы, созданные специально для<br />
использования в газовой хроматографии. Хотя эти материалы<br />
традиционно называют неподвижными жидкими фазами, многие<br />
из них представляют собой каучукоподобные тела, к тому же<br />
способные к вулканизации - т.е. к поперечной сшивке молекул с<br />
образованием трехмерных нерастворимых структур. Так появились<br />
серии полисилоксанов для газожидкостной хроматографии<br />
216<br />
с обозначениями SE, OV, SP, ПФМС, CKTB и другие (полидиметилсилоксаны<br />
SE-30, OV-I, SP-2000), полиметилфенилсилоксаны<br />
с содержанием фенильных групп от 5 до 50-70% (SE-54, OV-17,<br />
OV-1701, SP-2340), полисилоксаны с 25-50% цианопропильных<br />
групп (ХЕ-60, XF-1150, Silar 10C) и трифторпропильными заместителями<br />
(QF-I и др.).<br />
Отличительными особенностями полимерных неподвижных<br />
фаз для газовой хроматографии являются более высокая чистота<br />
полимера, из которого удаляют следы катализаторов, мономеров,<br />
растворителей и других нежелательных примесей, и более<br />
узкое молекулярно-массовое распределение по сравнению с полимерами<br />
общепромышленного назначения. Как показано в работе<br />
[11], это последнее качество имеет особое значение при использовании<br />
полисилоксанов и полигликолей в капиллярной хроматографии.<br />
Многообразие выпускаемых различными фирмами полисилоксанов<br />
побудило ряд исследователей к попыткам выявления<br />
наиболее подходящих полимеров для нанесения на стенки стеклянных<br />
и кварцевых капилляров. Так Старк, Ларсен и Дандено,<br />
подвергнув статистической обработке большое число публикаций<br />
по капиллярной хроматографии с использованием математико-статистического<br />
метода главных компонент, установили, что<br />
наиболее предпочтительными неподвижными фазами в капиллярной<br />
хроматографии являются следующие шесть групп материалов<br />
[12]:<br />
1. Полидиметилсилоксаны (SE-30, OV-I);<br />
2. Полиметилфенилсилоксаны, содержащие 50-70% фенильных<br />
групп (SE-54, OV-17, OV-1701, SP 2340);<br />
3. Полисилоксаны, содержащие 25-50% цианопропильных<br />
групп (ХЕ-60, XF-1150, Silar 10C);<br />
4. Полисилоксаны, содержащие 50-70% цианопропильных<br />
групп (OV-225 и др.);<br />
5. Полисилоксаны с трифторпропильными группами (QF-I и<br />
др.);<br />
5. Полиэтиленгликоли с молекулярной массой от 2000-4000<br />
до 40 тыс. а.е.м. (Карбовакс 2OM, Карбовакс 40M).<br />
Опубликован ряд экспериментальных исследований, посвященных<br />
применению отдельных полисилоксанов для решения<br />
определенных аналитических задач, либо для приготовления высококачественных<br />
капиллярных колонок с повышенной полярностью<br />
и термической устойчивостью [13, 14]. Так, например, авторы<br />
работы [14] приводят подробное описание своих экспериментов<br />
по приготовлению стеклянных капиллярных колонок с<br />
высокополярным полисилоксаном Силар ЮС.<br />
217
Достаточно легко на стенки стеклянных и кварцевых капилляров<br />
наносятся, кроме полисилоксанов и полиэтиленгликолей,<br />
также и другие полигликоли и соединения со структурами типа<br />
углеводородов. Например, авторам удавалось получать достаточно<br />
эффективные капиллярные колонки, используя в качестве<br />
неподвижных фаз природные жиры. Такие колонки были вполне<br />
работоспособны до температур 220-240 0 C в зависимости от характера<br />
подготовки исходных материалов. Сандра и соавт. [14] сообщили<br />
об успешном применении в качестве неподвижной фазы<br />
для капиллярных колонок насыщенного углеводородного полимера<br />
RSL-HO, имеющего молекулярную массу около 10 5 а.е.м.<br />
Эти авторы показали, что приготовленные ими капиллярные колонки<br />
позволяют осуществить разделение метиловых эфиров<br />
жирных кислот при температурах до 300 0 C.<br />
Нанесение на стеклянные капилляры полипропиленгликолей<br />
позволяет получать вполне удовлетворительные колонки, как<br />
стеклянные, так и металлические. В качестве растворителя при<br />
выполнении этой операции с использованием полипропиленгликолей<br />
Ucon-50HB-660 и Ucon-50-HB-2000 может быть использован<br />
не только хлористый метилен, но и диэтиловый эфир [15].<br />
Синтез и применение интересных новых неподвижных фаз,<br />
содержащих от 3-х до 6 бензольных колец, соединенных кислородными<br />
мостиками в мета-положении и замещенных атомами<br />
брома или цианогруппами, описали Дансор и Пул [16-18]. Общая<br />
формула этих соединений приведена ниже<br />
Из многих исследованных соединений этой группы наиболее<br />
привлекательное сочетание термической устойчивости и хроматографических<br />
характеристик было выявлено у следующих соединений:<br />
РРЕ-7: R 1 = R 4 = R = Br; R 2 = R 3 - H; п = 1;<br />
РРЕ-8: R, = R 2 = R 3 = R 4 = H; R = Br; п = 5<br />
218<br />
и цианофениловый эфир:<br />
R 1 = R 4 = H; R 2 = R 3 = R = CN; п = 3.<br />
Эти замещенные полифениловые эфиры позволяли работать<br />
при температурах до 290 0 C и обеспечивали достаточно высокую<br />
эффективность приготовленных с их использованием колонок.<br />
Бромзамещенные соединения были получены с количественными<br />
выходами прямым бромированием соответствующих полиэфиров<br />
элементным бромом в четыреххлористом углероде в<br />
присутствии ацетата таллия.<br />
6.2. ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ НЕПОДВИЖНЫЕ ФАЗЫ<br />
В период между 1980 и 1985 гг. внимание многих исследователей<br />
привлекали жидкокристаллические неподвижные фазы, проявляющие<br />
специфическую селективность по отношению к близким<br />
структурным изомерам ароматических соединений и олефинов<br />
[19,20]. Хотя о применении жидкокристаллических неподвижных<br />
фаз в хроматографии сообщалось уже в 1963 г., это направление<br />
привлекло к себе повышенное внимание исследователей<br />
именно в первой половине восьмидесятых годов.<br />
В качестве неподвижных фаз использовали, например, такие<br />
соединения, как Ы,>Г-бис-(л-бутоксибензилиден)-а,сх'-би-п-толуидин<br />
или смеси жидкокристаллических неподвижных фаз с полисилоксанами<br />
SE-52 или SE-54 [19]. Такие капиллярные колонки<br />
успешно применяли для разделения смесей полициклических<br />
ароматических углеводородов.<br />
Янсон и Калидин описали способ получения капиллярных колонок<br />
с высокотемпературными нематическими жидкокристаллическими<br />
неподвижными фазами, синтезируемыми непосредственно<br />
в колонке [20]. Стеклянные колонки длиной 17-18,5 м и<br />
диаметром 0,25 мм подвергали травлению хлороводородной кислотой.<br />
Для этого колонки заполняли 20%-ной кислотой, запаивали<br />
концы и выдерживали в течение ночи при 180 0 C, после чего<br />
промывали дистиллированной водой и сушили 2 часа при 250 0 C в<br />
слабом токе гелия. Затем на стенки капилляра наносили слой<br />
кристаллов BaCO 3 по рекомендациям Гроба и сотр., либо подвергали<br />
стенки колонки карбонизации. Для этого через капилляр в<br />
течение 2 часов при 50 0 C пропускали азот, насыщенный парами<br />
хлористого метилена барботажем при 0 0 C. Затем запаивали концы<br />
колонки, нагревали ее 1 час при 550 0 C и промывали 10%-ным<br />
раствором диэтиламина в хлористом метилене. Далее на стенках<br />
219
колонки формировали слой неподвижной фазы следующим образом.<br />
Колонку заполняли раствором а,ос'-би-«-толуидина и п-<br />
фенилбензальдегида в смеси ацетона и эфира. Концентрации реагентов<br />
в этом растворе были равны, соответственно, 3,18 и<br />
5,43 г/л (мольное соотношение 1:2). Один конец колонки закрывали,<br />
засасывая в него гексан на длину 4-5 см и затем расплавленный<br />
парафин. Затем колонку погружали в водяную баню с температурой<br />
20 0 C и открытый конец присоединяли к вакууму для<br />
испарения растворителя. Через 10-40 часов отрезали закрытый<br />
конец и дезактивировали колонку пропусканием 0,1%-ного раствора<br />
полиэтиленгликоля в хлористом метилене. После этого<br />
колонку кондиционировали, нагревая ее в слабом токе гелия от<br />
20 до 300 0 C со скоростью 0,5 град/мин. При этой температуре колонку<br />
выдерживали 24 часа. Расчетная толщина пленки неподвижной<br />
фазы составляла по данным авторов 0,5 мкм. По такой<br />
же методике готовили колонки с М,1Ч'-бис-(/г-метоксибензилиден)-сх,ос'-би-п-толуидином,<br />
однако в этом случае растворителем<br />
при операции нанесения неподвижной фазы был хлористый метилен.<br />
Полученные колонки, испытанные при 78,5, 102,5 и 166 0 C,<br />
имели эффективность до 16,8 тыс. т.т. и обеспечивали хорошее<br />
разделение изомерных бенз[а]пирена, бенз[е]пирена и перилена*,<br />
что является достаточно трудной аналитической задачей.<br />
Температура фазового перехода от нематического к изотропно-жидкому<br />
состоянию для изученных жидких кристаллов составляла<br />
262°С. Авторы этой работы процитировали более 15-ти<br />
публикаций по применению жидкокристаллических неподвижных<br />
фаз, начиная с 1963 г.<br />
Способность молекул жидкокристаллических неподвижных<br />
фаз переориентироваться под влиянием электрических полей<br />
пытались использовать для направленного изменения удерживающих<br />
свойств капиллярных колонок [21-26]. В этих работах использовали<br />
4'-этоксибензилиден-4-цианоанилин, 4'-анизаль-4-<br />
ацетоксианилин, 4,4'-азоксидианизол и 4,4'-ди-н-пентилоксиазобензол,<br />
которые наносили или непосредственно на стенки разделительных<br />
капиллярных колонок, или на короткие, длиной<br />
2-4 м, вспомогательные колонки, установленные перед основной<br />
капиллярной колонкой. Последняя представляла собой стеклян-<br />
* Эти вещества часто встречаются при анализе загрязнений окружающей<br />
среды. Бенз[а]пирен проявляет канцерогенную активность, более чем в тысячу<br />
раз большую, чем два других изомера. Поэтому для объективной оценки опасности<br />
загрязнения окружающей среды очень важно иметь информацию о содержании<br />
в анализируемом объекте каждого изомера по отдельности.<br />
220<br />
ный капилляр с "усами" на стенках, на которую наносили полидиэтиленгликольсукцинат<br />
из 5%-ного раствора в хлористом метилене.<br />
Эти работы представляют собой относительно немногочисленные<br />
примеры применения полиэфирных неподвижных<br />
фаз в капиллярной хроматографии. В то же время, в перечисленных<br />
работах было показано, что в колонках с жидкокристаллическими<br />
неподвижными фазами имеют место вполне определенные<br />
связи между абсорбцией различных веществ на жидких кристаллах<br />
и напряженностью приложенного электрического поля.<br />
Однако возлагавшиеся на этот подход большие надежды по достижению<br />
высокой эффективности разделения в целом пока не<br />
оправдались.<br />
Ряд попыток использовать в качестве неподвижных фаз в газовой<br />
хроматографии краун-эфиры разного строения обобщены<br />
в двух недавних обзорах [27, 28]. При этом предполагалось добиться<br />
повышенной селективности разделения изомерных соединений<br />
за счет разных возможностей к образованию соединений<br />
включения у веществ с линейной и разветвленной структурой.<br />
Впервые такие возможности были продемонстрированы на примере<br />
циклических эфиров салициловой кислоты еще в 1958 г.<br />
[29], однако в целом эти попытки пока не привели к каким-либо<br />
особо интересным результатам, которые оправдывали бы затраченные<br />
усилия исследователей.<br />
6.3. МОДИФИЦИРОВАНИЕ НЕПОДВИЖНЫХ ФАЗ<br />
ПОЛЯРНЫМИ ДОБАВКАМИ<br />
В ряде случаев при необходимости анализировать смеси<br />
очень полярных соединений типа спиртов или свободных органических<br />
кислот исследователи прибегают к различным способам<br />
модификации неподвижных фаз в капиллярных колонках. При<br />
этом роль модификатора заключается, с одной стороны, в подавлении<br />
активности остаточных адсорбционных центров на стенках<br />
капиллярных колонок, и, с другой стороны, в исправлении<br />
формы изотерм сорбции, значительно отклоняющихся от прямолинейных<br />
для многих полярных соединений.<br />
Интересно проследить применение таких модификаторов<br />
неподвижной фазы на примере анализов свободных органических<br />
кислот. Уже в 1968 г. Ли и Бете [30] при разделении группы<br />
свободных кислот добавляли к неподвижной фазе небольшое<br />
количество фосфорной кислоты. В дальнейшем в качест-<br />
221
ве модификаторов кислотного характера, применяемых в форме<br />
небольших добавок к неподвижным фазам в процессе приготовления<br />
капиллярных колонок, использовали тримезиновую<br />
кислоту [31], тримерную кислоту [32] и 1,15-пентадекандикарбоновую<br />
кислоту [33]. Описаны успешные примеры разделения<br />
свободных кислот в капиллярных колонках и с добавлением<br />
к неподвижной фазе менее активных, но, тем не менее,<br />
высокополярных соединений. Для этой цели использовали добавки<br />
полиэтиленгликоля 2OM [34], полипропиленгликоля<br />
Ucon [35-38], полиэфира этиленгликоля и динитрофталевой<br />
кислоты FFAP [39, 40].<br />
Целая серия таких добавок и неподвижных фаз испытана в<br />
работе [39], где описаны успешные эксперименты по разделению<br />
свободных кислот на стеклянных капиллярных колонках<br />
со стенками, модифицированными различными агентами, снижающими<br />
интенсивность адсорбционных взаимодействий<br />
(кислый диоксид кремния, дезактивированный хлоридом бензилтрифенилфосфония).<br />
Описаны также стеклянные капиллярные<br />
колонки для анализа свободных кислот со стенками,<br />
покрытыми каолином. Эти колонки готовили следующим образом<br />
[40, 41]. В смеси 35 мл четыреххлористого углерода и<br />
15 мл хлористого метилена растворяли 40 мг полиэфира FFAP<br />
и к полученному раствору добавляли 200 мг каолина, который<br />
диспергировали в течение 60 мин действием ультразвука с частотой<br />
20-24 кГц с амплитудой около 2 мкм (использовали<br />
сверлильную машину с большим числом оборотов). Затем 2 мл<br />
полученной суспензии пропускали дважды в двух противоположных<br />
направлениях через тщательно промытый хлористым<br />
метиленом стеклянный капилляр с внутренним диаметром<br />
0,2-0,3 мм. Далее колонку промывали двумя порциями хлористого<br />
метилена объемом 10 мл каждая и удаляли растворитель<br />
в слабом токе азота. После этого колонку кондиционировали<br />
в токе азота при 400 0 C в течение 12-15 ч (в течение ночи) для<br />
дегидратации каолина. Далее наносили неподвижную фазу<br />
FFAP динамическим способом из 12%-ного раствора в хлористом<br />
метилене. При длине использованных капилляров<br />
13-16 м были получены колонки с эффективностью до<br />
3800 т.т./м, обеспечивавшие величину ЭЧП 27-30 даже при<br />
разделении гомологических серий свободных алифатических<br />
кислот [41].<br />
Очень полярные эфиры оксикислот, выделенных из растительных<br />
материалов (кофейной, кумариновой, хинной и феруловой),<br />
разделяли Мюллер и Герман [42] на стеклянных капиллярных<br />
колонках длиной 40-50 м и диаметром 0,27 мм, под-<br />
222<br />
вергнутых силанизации М,0-бис-(триметилсилил)-ацетамидом<br />
(BSA). После обработки силанизирующим агентом колонку<br />
выдерживали 20 часов при 110 0 C, промывали толуолом и пентаном<br />
(порциями по 2 мл), высушивали в токе азота 30 мин<br />
при 100 0 C и наносили на нее неподвижную фазу (полисилоксаны<br />
SE-30, SE-54) статическим способом из 0,2%-ного раствора<br />
в пентане. После нанесения неподвижных фаз колонки<br />
кондиционировали путем постепенного нагрева от 220 до<br />
270 0 C со скоростью 4 град/мин. Этот пример показывает возможность<br />
приготовления высокоэффективных стеклянных и<br />
кварцевых капиллярных колонок для разделения весьма высокополярных<br />
соединений достаточно простым и рациональным<br />
способом.<br />
6.4. НЕПОДВИЖНЫЕ ФАЗЫ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ<br />
ОПТИЧЕСКИХ ИЗОМЕРОВ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ<br />
Последний вопрос, который следует затронуть при обсуждении<br />
неподвижных фаз для капиллярных колонок, связан с проблемой<br />
разделения энантиомеров - оптических изомеров разнообразных<br />
соединений, имеющих в составе своих молекул асимметрические<br />
атомы углерода либо такие молекулярные фрагменты,<br />
которые обеспечивают возможность существования двух энантиомерных<br />
форм.<br />
Как известно, оптические изомеры органических соединений<br />
имеют полностью идентичные химические и основные физические<br />
свойства и различаются лишь по своей способности вращать<br />
вправо или влево плоскость поляризации света и по-разному взаимодействовать<br />
с другими оптически активными соединениями.<br />
Поэтому такие изомеры определенно не могут быть разделены с<br />
помощью газовой хроматографии с обычными, оптически неактивными<br />
неподвижными фазами даже при очень высокой эффективности<br />
колонок.<br />
Проблема разделения оптических изомеров волнует химиков<br />
уже почти 150 лет. Это связано, помимо чисто теоретического<br />
интереса, с тем фактом, что, будучи практически идентичными<br />
по своим химическим свойствам, оптические изомеры многих веществ<br />
существенно различаются по своей биологической активности.<br />
Так, например, все аминокислоты, из которых построены<br />
белки высших организмов, относятся к ряду левовращающих<br />
изомеров, тогда как их правовращающие антиподы совершенно<br />
не усваиваются организмами.<br />
223
Разные оптические изомеры некоторых терпенов и их кислородсодержащих<br />
производных сильно различаются по запаху. Например,<br />
один из изомеров может пахнуть мятой, а другой - тмином.<br />
Трагическим примером разного биологического действия оптических<br />
антиподов является седативное и снотворное средство<br />
Талидомид. Этот препарат был предложен в шестидесятые годы<br />
как хорошее успокаивающее средство для беременных, что привело<br />
к многочисленным уродствам новорожденных, матери которых<br />
применяли это лекарство. В дальнейшем было выяснено,<br />
что таким тератогенным действием обладает лишь один из двух<br />
оптических изомеров Талидомида, получавшийся вместе с другим,<br />
полезным изомером по принятой в то время технологии его<br />
получения [43, 44].<br />
Весьма сильно различается биологическая активность разных<br />
оптических изомеров и многих других лекарств, гормонов,<br />
простагландинов, ферментов и других жизненно важных соединений.<br />
Это объясняет тот значительный интерес, который проявляется<br />
к проблеме анализа и разделения смесей оптических<br />
изомеров специалистами в самых разнообразных областях фармации,<br />
медицины, химии и химической технологии.<br />
Относительно новым, весьма действенным и перспективным<br />
путем разделения оптических изомеров стали хроматографические<br />
методы. В газовой хроматографии наметились два направления<br />
в решении этой проблемы.<br />
Первое из них заключается в том, что для разделения двух<br />
оптических изомеров вещества А (с некоторым упрощением<br />
назовем их правым и левым изомерами и обозначим DA и LA)<br />
получают продукты соединения этих изомеров с одним из оптических<br />
изомеров другого вещества В, то есть с чистым изомером<br />
DB или LB. Например, чтобы разделить оптические<br />
изомеры какой-либо органической кислоты, имеющей в молекуле<br />
асимметрический атом углерода, как в случае DHL изомеров<br />
яблочной кислоты<br />
CH 3 -*СН- COOH<br />
I<br />
он<br />
(асимметрический атом углерода обозначен звездочкой), можно<br />
получить сложные эфиры изомеров этой кислоты с природным<br />
терпеновым спиртом ментолом, представляющим собой чистый<br />
D-изомер. Структуры образующихся при этом соединений можно<br />
упрощенно обозначить DA-DA и LA-DA. Такие соединения,<br />
называемые диастереомерами, уже не относятся друг к другу как<br />
предмет к своему зеркальному отражению и представляют собой<br />
224<br />
разные вещества с более или менее различными физическими и<br />
химическими свойствами. Поэтому их можно разделить разнообразными<br />
способами, применяемыми в синтетической органической<br />
химии и химической технологии, в том числе и хроматографией<br />
на достаточно эффективных колонках. При этом такое<br />
разделение в принципе ничем не будет отличаться от разделения<br />
других близких по свойствам соединений, выполняемого с помощью<br />
высокоэффективных хроматографических процессов, рассматриваемых<br />
в этой книге.<br />
После химического расщепления разделенных таким путем<br />
диастереомеров можно получить в чистом виде каждый из оптических<br />
изомеров исходного вещества А.<br />
Однако такой способ их разделения весьма трудоемок, длителен<br />
и далеко не универсален. Более привлекателен иной способ<br />
разделения таких изомеров, который в газовой хроматографии<br />
заключается в том, что в качестве неподвижной фазы в колонке<br />
применяют вещества с разной способностью к специфическому<br />
взаимодействию с тем или иным оптическим изомером пары,<br />
подвергающейся разделению. Такими неподвижными фазами являются<br />
вещества, сами обладающие асимметрическими центрами<br />
в молекуле, либо имеющие молекулярную структуру, придающую<br />
им способность по-разному взаимодействовать с разными<br />
оптическими изомерами.<br />
Подробное рассмотрение особенностей оптической изомерии<br />
и механизма разделения энантиомеров на колонках с асимметрическими,<br />
хиральными* неподвижными фазами (как говорят<br />
"хирального распознавания") выходит за рамки этой<br />
книги.<br />
Поэтому мы вынуждены отослать заинтересованного читателя<br />
к специализированным обзорам и книгам по данному<br />
вопросу [45-52]. Здесь же мы ограничимся только рассмотрением<br />
основных типов неподвижных фаз, используемых для<br />
разделения изомеров хиральных соединений на капиллярных<br />
колонках.<br />
Первые успешные опыты по разделению оптически активных<br />
изомеров сложных эфиров аминокислот в форме их летучих<br />
трифторацетильных производных были осуществлены<br />
Гил-Авом и сотр. [53, 54] в 1966 г. Эти авторы применяли стеклянные<br />
капиллярные колонки длиной 100 м, в которых хиральной<br />
неподвижной фазой служило N-трифторацетильное<br />
"Хейрос" (греч.) - рука. Хиральными называют молекулы, существующие<br />
в двух формах, относящихся друг к другу как предмет к своему зеркальному<br />
отражению, или, например, как правая рука к левой.<br />
S. Руденко Б.A. T. 1 225
производное оптически активной аминокислоты L-изолейцина.<br />
Такая неподвижная фаза обладала недостаточной термической<br />
устойчивостью, и, в то же время, довольно высокой температурой<br />
плавления. Это сильно ограничивало диапазон возможных<br />
рабочих температур. Поэтому в практику энантиомерных<br />
разделений были введены неподвижные фазы, синтезированные<br />
из оптически активных дипептидов с углеводородными<br />
заместителями, например, такими, как циклогексиловый<br />
эфир N-трифторацетильного производного Ь-валил-Ь-валина<br />
[55].<br />
Было показано, что разделение оптических изомеров летучих<br />
производных аминокислот улучшается, если в молекулу<br />
неподвижной фазы введены достаточно объемные алкильные<br />
заместители, как, например, в трет.-бутиламиде-1Ч-лауроил-Ь-валина<br />
[56-59]. Эта неподвижная фаза обеспечивала<br />
достаточно высокие коэффициенты разделения (в диапазоне<br />
величин а 1,16-1,28) оптических изомеров большого числа<br />
аминокислот, однако для некоторых из них наблюдали очень<br />
малые различия в удерживании, требующие применения высокоэффективных<br />
капиллярных колонок (например, 1,084 для<br />
лейцина, 1,078 для аспарагиновой кислоты, 1,057 для пролина).<br />
В 1970-е гг. изучение неподвижных фаз на основе производных<br />
аминокислот проводилось достаточно интенсивно. Были<br />
испытаны многочисленные соединения, среди которых интересны<br />
карбонил-бис-эфиры аминокислот, способные в определенном<br />
диапазоне температур переходить в жидкокристаллическое<br />
состояние, что обеспечивало значительное улучшение<br />
разделения оптических изомеров [56].<br />
Достаточно эффективными для разделения оптических<br />
изомеров разных групп соединений преимущественно полярного<br />
характера оказались неподвижные фазы триазиновой<br />
структуры, содержащие в молекуле остатки оптически активных<br />
аминокислот (L-лизина или ди- и трипептидов L-валина)<br />
[60-64].<br />
Исследования показали, что введение в молекулу хиральной<br />
неподвижной фазы амидной группировки с объемистым<br />
заместителем, также содержащим асимметрический атом углерода,<br />
весьма существенно расширяет как диапазон рабочих<br />
температур неподвижной фазы, так и круг возможных объектов<br />
анализа. Так, в качестве неподвижных фаз были с успехом<br />
использованы содержащие асимметрический центр в амидном<br />
фрагменте молекулы изомеры 1-(а-нафтил)-этиламид N-лауроил-Ь-пролина<br />
и 1-(ос-нафтил)-этиламид О-лауроилминдальной<br />
кислоты [65-69]. Последняя неподвижная фаза была, по-<br />
226<br />
видимому, первым примером такого материала, не содержащим<br />
аминокислотного фрагмента.<br />
На кварцевых капиллярных колонках диаметром 0,25 мм и<br />
длиной 25-50 м с вышеназванными неподвижными фазами успешно<br />
разделяли оптические изомеры не только производных<br />
аминокислот, но и летучих производных ряда аминов, оксикислот,<br />
трет.-бутиламидов карбоновых кислот, большого числа<br />
сложных эфиров и нитрилов.<br />
Весьма успешным оказалось также применение в качестве<br />
хиральных неподвижных фаз производных транс-хризантемовой<br />
кислоты, содержащей в молекуле трехчленный цикл с двумя<br />
асимметрическими атомами углерода:<br />
/<br />
= /<br />
* *<br />
\ / COOH<br />
Хризантемовая<br />
кислота<br />
В качестве неподвижных фаз в капиллярных колонках использовали<br />
1-(а-нафтил)-этиламид самой гарянохризантемовой кислоты<br />
и 1-(а-нафтил)-этиламид О-гаранс-хризантемоилминдальной<br />
кислоты [70, 71]. Общим недостатком описанной группы хиральных<br />
неподвижных фаз является весьма узкий диапазон рабочих<br />
температур и довольно низкая термическая устойчивость - их максимальные<br />
рабочие температуры, к сожалению, не превышают<br />
15O 0 C.<br />
Необычными неподвижными фазами для разделения оптических<br />
изомеров на капиллярных колонках оказались хиральные<br />
комплексы ряда металлов (никеля, родия, европия и др.) с (3-дикарбонильными<br />
соединениями, также имеющими в молекуле<br />
асимметрический атом углерода. Такие комплексы наносили на<br />
стенки капиллярных колонок в виде растворов в сквалане. Необ-,<br />
ходимые для образования таких комплексов хиральные лиганды<br />
получали из оптически активных природных соединений терпенового<br />
характера (камфоры, пулегона и др.). Эти соединения уже<br />
имеют в молекуле одну кетонную группу. Вторую кетогруппу<br />
вводили в их состав путем перфторацетилирования по ос-углеродному<br />
атому по отношению к кетогруппе. На схеме представлены<br />
структуры двух типичных комплексов - представителей этой<br />
группы соединений.<br />
Эти неподвижные фазы позволяют разделять оптические<br />
изомеры большой группы неполярных соединений, таких как<br />
8* 227
Родиевый комплекс<br />
а-трифторацетилкамфоры<br />
Никелевый комплекс<br />
сс-гептафторбутирата<br />
пулегона<br />
(Lig - дополнительные лиганды)<br />
3-метилциклопентенон, циклические алкены, сложные эфиры,<br />
кетоны и тиоэфиры [70-75].<br />
Кроме того, в качестве хиральных неподвижных фаз использовали<br />
также комплексы меди и оснований Шиффа, полученных<br />
из салицилового альдегида и аминоспиртов с асимметрическим<br />
атомом углерода в молекуле. Такими аминоспиртами являются 2-<br />
амино-1,1 -дифенилпропанол-1, 2-амино-1,1 -бис-(5-т/ет.-бутил-<br />
2-октилоксифенил)-пропанол-1 и 2-амино-1,1 -бис-(5-трет.-6утил-2-гептилоксифенил)-3-фенилпропанол-1.<br />
Эти аминоспирты<br />
содержат в молекуле один асимметрический атом углерода, что и<br />
обусловливает их различное межмолекулярное взаимодействие с<br />
разными оптическими изомерами разделяемых соединений<br />
[76, 77].<br />
Все вышеперечисленные хиральные неподвижные фазы обладают,<br />
к сожалению, невысокой термической устойчивостью и<br />
узким диапазоном рабочих температур. Так, для подавляющего<br />
большинства из них предельно допустимая рабочая температура<br />
не превышает 150 0 C. Стремление устранить этот недостаток<br />
привело к разработке высокотемпературных хиральных неподвижных<br />
фаз, в которых хиральные низкомолекулярные фрагменты<br />
ковалентно связаны с полимерными цепями термостойких<br />
полисилоксанов [78, 79]. Обычно для этой цели использовали известные<br />
полисилоксаны, содержащие цианопропильные группы,<br />
например, ХЕ-60 или OV-225. Цианогруппы этих заместителей<br />
могут быть гидролизованы до амидных или карбонильных групп,<br />
228<br />
4<br />
Не<br />
Ser<br />
Leu<br />
Asp<br />
Cys<br />
Met<br />
GIu<br />
Tur<br />
Om<br />
His(EOC)<br />
Lyn<br />
1>л-<br />
UUU и<br />
л -'<br />
10 20<br />
Время, мин<br />
J<br />
— I —<br />
-, 1<br />
92° 100° 120° 140° 160° 180° 195 0 C<br />
— I 1 —<br />
Рис. 48. Разделение энантиомеров 19 рацемических аминокислот<br />
(в форме летучих изопропиловых эфиров Л'-перфторпропионильных<br />
производных) на стеклянной капиллярной колонке размером<br />
25 м х 0,25 мм с неподвижной фазой Хиросил-Вал при программировании<br />
температуры от 90 до 200 0 C<br />
либо подвергнуты гидрогенизации до первичных аминогрупп.<br />
Все эти заместители далее могут быть использованы для присоединения<br />
к полимерной цепи низкомолекулярных хиральных<br />
фрагментов типа L-валин-трет.-бутиламида [79] или Ь-валин-1-<br />
фенилэтиламида [80-85]. Такие хиральные полисилоксаны позволяют<br />
разделять оптические изомеры очень широкого круга<br />
органических соединений. В частности, с их помощью удалось<br />
разделить оптические изомеры ряда трифторацетильных производных<br />
углеводов и других гидроксильных и карбонильных соединений<br />
[86, 87].<br />
Стеклянные и кварцевые капиллярные колонки, содержащие<br />
в качестве неподвижной фазы полисилоксаны с привитым<br />
трет.-бутиламидом L-валина, получили достаточно широкое<br />
распространение и стали коммерчески доступными под названием<br />
Хирасил-Вал (рис. 48).<br />
Механизм хирального распознавания, то есть разделения оптических<br />
изомеров на подобных неподвижных фазах детально<br />
обсуждается в работах [88-91], а в работах [92-101] приведены<br />
дополнительные примеры применения хиральных полисилокса-<br />
229
новых неподвижных фаз для решения сложных химико-аналитических<br />
проблем.<br />
Последняя группа неподвижных фаз, заслуживающих упоминания,<br />
- это вещества, способные образовывать с разделяемыми<br />
оптическими изомерами соединения включения с разной устойчивостью<br />
для правых и левых изомеров. Такими хиральными<br />
агентами могут являться циклодекстрины - соединения хорошо<br />
известные в биохимии и фармации. Эти интересные неподвижные<br />
фазы применяли вначале в наполненных колонках, нанося<br />
их на твердые носители типа Хромосорба или Целита в форме<br />
растворов в диметилформамиде [102, 103], и использовали для<br />
разделения близких изомеров ароматических углеводородов, например,<br />
мета- и пара-ксилолов [102]. Однако вскоре было показано,<br />
что ос-циклодекстрин позволяет разделять и оптические<br />
изомеры низших углеводородов и простейших кислородсодержащих<br />
соединений типа 2-метилбутанола-1 или окиси пропилена<br />
[103]. При этом было отмечено, что алкилирование и ацилирование<br />
свободных гидроксильных групп субъединиц глюкозы, из которых<br />
построены молекулы циклодекстринов, весьма существенно<br />
изменяет их способность к разделению оптических изомеров:<br />
те изомеры, которые не разделяются на незамещенном циклодекстрине,<br />
хорошо делятся, например, на его ацетильных производных<br />
и наоборот. Строгие закономерности в этом вопросе<br />
пока еще не установлены. Тем не менее циклодекстрины и их алкильные<br />
и ацильные производные довольно широко используются<br />
в настоящее время в капиллярной хроматографии в качестве<br />
компонентов высокоселективных неподвижных фаз, предназначенных<br />
для разделения оптических изомеров различных соединений.<br />
Так, например, энантиомеры применяемого в парфюмерии<br />
душистого вещества - терпенового спирта линалоола (3,7-диметил-1,6-октадиен-3-ола)<br />
и его ацетата, содержащиеся в природном<br />
лавандовом эфирном масле, разделяли на капиллярных колонках<br />
с 2,6-диметил-3-пентил-|3-циклодекстрином [104-108].<br />
Для этой цели использовали кварцевую колонку размером<br />
25 м х 0,25 мм с пленкой циклодекстрина толщиной 0,25 мкм, работавшую<br />
при температуре 90 °С Хотя энантиомерная чистота<br />
анализируемых продуктов в большинстве случаев колебалась от<br />
72 до 100%, наличие меньшего по концентрации изомера удавалось<br />
четко определить даже при его содержании менее 0,2-0,3%<br />
(рис. 49).<br />
Тридцатипроцентные растворы 2,6-ди-0-метил-3-0-пентил-(3-<br />
циклодекстрина и 2,3-ди-0-ацетил-6-0-гарет.-бутилдиметилсилил-<br />
Р-циклодекстрина в полисилоксановых неподвижных фазах OV-<br />
1701 и PS-086, нанесенные в виде пленки толщиной 0,15 мкм на<br />
230<br />
20 10<br />
19<br />
19<br />
—г—<br />
20<br />
20 30 20 30<br />
20<br />
I<br />
30<br />
20<br />
—г—<br />
20 30<br />
Время, мин<br />
Рис. 49. Разделение энантиомеров производных линалоола на капиллярных<br />
колонках дл. 25 м и диаметром 0,25 мм с неподвижными фазами<br />
2,3-ди-0-этил-6-0-гарет.-бутилдиметилсилил-|3-циклодекстрином<br />
(НФ1) и ди-О-этил-б-трет.-бутилдиметилсилил-у-циклодекстрином<br />
(НФ2) в форме 30%-ных растворов в полисилоксане PS-086 при толщине<br />
пленки неподвижной фазы 0,15 мкм<br />
а - линалоол, 6O 0 C, НФ1; 70 0 C (НФ2); б - линалилацетат, 6O 0 C, НФ1; 70°С<br />
(НФ2); в - линалилпропионат, 85°С, НФ1; 75 0 C, НФ2<br />
231
кварцевые капилляры размером 25 м х 0,25 мм, дезактивированные<br />
полиэтиленгликолем карбовакс 2OM [109-111], позволяли разделять<br />
энантиомеры метиловых эфиров 3-оксигексановой и 2-метилмасляной<br />
кислот, а также 5-гексалактон, 5-окталактон и у-декалактон.<br />
Последнее соединение было выделено как природный компонент<br />
аромата плодов манго. Те же неподвижные фазы, нанесенные<br />
на поверхность кварцевых капилляров размером 25 м х 0,53 мм<br />
в виде пленок толщиной 2-3 мкм, позволили осуществить микропрепаративное<br />
разделение энантиомеров перечисленных выше соединений,<br />
причем величина вводимых проб достигала нескольких<br />
сотен микрограммов [112, 113]. С целью микропрепаративного выделения<br />
разделенных продуктов на автоматическом микропрепаративном<br />
хроматографе выполняли разделение от 70 до 90 повторных<br />
проб массой от 5 до 150 мкг. При этом чистые энантиомеры<br />
были собраны в количествах от 16 мкг до 1,05 мг, а их выход составлял<br />
от 13 до 52,7% от введенного количества.<br />
С применением кварцевых капиллярных колонок размером<br />
25 м х 0,25 мм с пленками энантиоселективных неподвижных фаз<br />
толщиной 0,25 мкм были детально изучены возможности разделения<br />
энантиомерных форм ряда хлорированных дипропиловых<br />
эфиров [114]. Использованные неподвижные фазы представляли<br />
собой 50%-ные растворы производных (3- и у-циклодекстринов в<br />
полисилоксане OV-1701. Изучавшиеся соединения являются побочными<br />
продуктами производства эпихлоргидрина и представляют<br />
собой важный фактор загрязнения водной среды в реке Эльба.<br />
Хорошее разделение энантиомерных хлорированных дипропиловых<br />
эфиров было достигнуто при использованиии в составе<br />
неподвижных фаз гептакис-(6-0-трет.-бутилдиметилсилил-2,3-<br />
ди-0-метил)-Р-циклодекстрина [115], гептакис-(6-0-трет.-бутил<br />
диметилсилил-2-0-метил-3-0-пентил)-(3-циклодекстрина<br />
[116] и октакис-(3-0-бутирил-2,6-ди-0-пентил)-у-циклодекстрина<br />
(коммерческое название Липодекс E) [116].<br />
Применение смешанной неподвижной фазы, в состав которой<br />
входит 40% полисилоксана OV-1701 и по 30% гептакис-(2,6-<br />
ди-0-метил-3-0-пентил)-(3-циклодекстрина и гептакис-(6-0-метил-2,3-ди-0-пентил)-(3-циклодекстрина<br />
существенного улучшения<br />
в разделении энантиомеров хлорированных дипропиловых<br />
эфиров не дало [117, 118].<br />
На основе данных описанного энантиомерного анализа эфиров,<br />
выделенных из водных проб вдоль по течению реки Эльба,<br />
было показано, что разрушение этих загрязняющих агентов в<br />
водной среде, по крайней мере частично, происходит по механизму<br />
энантиоселективной биодеградации с участием микроорганизмов,<br />
обитающих в пресных и солоноватых водах [117].<br />
232<br />
Таким образом, циклодекстриновые неподвижные фазы в настоящее<br />
время достаточно широко используются в капиллярной<br />
хроматографии. Нет сомнений, что уникальная стереоселективность<br />
этих материалов в сочетании с высокой эффективностью капиллярных<br />
колонок позволит в будущем получить новые важные<br />
результаты в этом интереснейшем направлении хроматографии.<br />
ЛИТЕРАТУРА<br />
1. Ettre L.S. Introduction to open tubular columns. Norwalk (Conn.): Perkin-<br />
Elmer, 1978.<br />
2. Lynn T.R. Guide to stationary phases for gas chromatography. Hamden:<br />
Analabs, 1967.<br />
3. Берчфилд Г., Сторрс Э. Газовая хроматография в биохимии. M.:<br />
Мир, 1964.<br />
4. Король A.H. Неподвижная фаза в газожидкостной хроматографии.<br />
Киев: Наук, думка, 1969.<br />
5. Король A.H. Неподвижные фазы в газожидкостной хроматографии:<br />
Справочник. M.: Химия, 1985.<br />
6. Лурье А.А. Хроматографические материалы: Справочник. M.: Химия,<br />
1972.<br />
7. Ногаре Д., Джувет P.С. Газожидкостная хроматография. Л.: Недра,<br />
1968.<br />
8. Литвинов Л.Д., Руденко Б.А. Газовая хроматография в медицине и<br />
биологии. M.: Медицина, 1971.<br />
9. Руденко Б.А., Кучеров В.Ф., Потапова Л.Г. Il Журн. аналит. химии<br />
1964. T. 19, №8. С. 917.<br />
10. Руденко Б.А., Илъкова ЭЛ., Кучеров В.Ф., Керимова H.И. //Там же.<br />
T. 25, № 7. С. 1405-1408.<br />
11. Vigh Cy., Bartha A., Hlavay J. // J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr.<br />
Commun. 1981. Vol. 4, N 1. P. 3-5.<br />
12. Stark TJ., Larson P.A., Dandeneau R.D. // J. Chromatogr. 1983. Vol. 279.<br />
P. 31-40.<br />
13. Ramachandran S., Reinbold B.L., Henly R.S. // Abstr. Pap. 29th Pittsburgh<br />
Conf. Anal. Chem., Appl. Spectroscopy, Cleveland, Ohio, 1978. Manroevill,<br />
(Pa.), 1978. N53.<br />
14. Sandra P., Verstappe M., Verzele M., Verzele J. Il Abstr. Pap. Pittsburgh<br />
Conf. Anal. Chem., Appl. Spectroscopy, Atlantic City, NJ., 1980.<br />
Pittsburgh (Pa.), 1980. P. 199.<br />
15. Higgins G.E. Il Anal. Chem. 1981. Vol. 53, N 4. P. 732-734.<br />
16. Dhanesar S.C, Poole CF. // J. Chromatogr. 1983. Vol. 267. P. 293-301.<br />
17. Dhanesar S.C., Poole CF. // Ibid. 1982. Vol. 253. P. 255-259.<br />
18. Dhanesar S.C, Poole CF. // Ibid. 1982. Vol. 252, N 1. P. 91.<br />
\9.Laub RJ., Robert W.L., Smith CA. // J. High Resolut. Chromatogr.<br />
Chromatogr. Commun. 1980. Vol. 3, N 7. P. 355-356.<br />
20. Janssen F.. Kalidin T. // J. Chromatogr. 1982. Vol. 235, N 2. P. 323-336.<br />
21. Watabe K., Suzuki Sh.,Araki Sh. // Ibid. 1980. Vol. 192. P. 89-94.<br />
233
22. Watabe K., Hobo Т., Suzuki Sh. Il Ibid. 1981. Vol. 206. P. 223; 1982.<br />
Vol. 239. P. 499.<br />
23. Watabe K., Suzuki Sh., Araki Sh. I/ Nippon Kagaku Kaishi = J. Chem. Soc.<br />
Jap. 1980. N 4. P. 582-586.<br />
24. Watabe K., Suzuki Sh., Araki Sh. // Bunseki Kagaku = Jap. Analyst. 1980.<br />
Vol. 29, N 9. P. 575-579.<br />
25. Watabe K., Hobo T., Suzuki Sh. // J. Chromatogr. 1981. Vol. 206.<br />
P. 223.<br />
26. Watabe K., Hobo T., Suzuki Sh. // Ibid. 1982. Vol. 249. P. 499-505.<br />
27. Kartsova L.A., Stolyarov B.V. // Zh. Anal. Khim. 1993. Vol. 48, N 4. P. 582.<br />
28. Zhou X.C, Fu R., Reng Z.R. et al. Il J. Chromatogr. 1984. Vol. 662.<br />
P. 203.<br />
29. Maczek A.O.S., Phillips C.S.G. // Gas chromatography, 1960: Third Symp.<br />
GC, 8-10 June, 1960, Edinburgh/Ed. R.P.W., Scott. L.: Inst. Petrol., 1960.<br />
P. G80. Рус. пер.: в кн.: Газовая хроматография: Tp. Ш Междунар.<br />
симпоз. по газовой хроматографии в Эдинбурге. M.: Мир. 1964.<br />
С. 377-382.<br />
30. Lee W.K., Bethea RM. // J. Gas Chromatogr. 1968. Vol. 6. P. 582.<br />
31. Di Corcia A., Samperi R., Sebastiani E., Severini C. // Chromatographia.<br />
1981. Vol. 14. P. 86.<br />
32. Zoccolillo L., Liberti A., Goretti G.C. Il J. Chromatogr. 1969. Vol. 43.<br />
P. 497.<br />
33. Marshall].L., Parker D.A. // Ibid. 1976. Vol. 122. P. 425.<br />
34. Dandenau R.D., Zeremer E.H. // Proc. 3rd Intern., Symp. on Glass Capill.<br />
Column Gas Chromatogr. Hindelang, 1979.<br />
35. Sandra R., Verstappe M., Verzele M. // J. High Resolut. Chromatogr.<br />
Chromatogr. Commun. 1978. Vol. 1. P. 28.<br />
36. Kettrup A., Nolte J., Riepe W. // Fresenius Ztschr. anal. Chem. 1981.<br />
Bd. 307, N LP. 1-6.<br />
37. Goretti G., Liberti A., PiIi G. Il J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr.<br />
Commun. 1978. Vol. LP. 143.<br />
38. Verzele M., Sandra P. et al. // Ibid. 1979. Vol. 2. P. 303.<br />
39. Hrivnad M., Sycora-Cechova L., Miieller-Aerne M. // Ibid. 1981. Vol. 4,<br />
N 7. P. 323-327.<br />
40. Goretti G., Geraci F., Russo M.V. // Chromatographia. 1981. Vol. 14.<br />
P. 285.<br />
41. Goretti G., Liberti A., Russo M.V., Sachez JL. Il J. Chromatogr. 1982.<br />
Vol. 245, N LP. 109-116.<br />
42. Moller B., Hermann K. // Ibid. 1982. Vol. 241, N 2. P. 371-379.<br />
43. Blaschke G., Kraft H.-P., Finkentscher K., Koehlr F. // Arzneim-Forsch.<br />
1979. Bd. 29. S. 1690.<br />
44. Blaschke G., Kraft H.-P., MarkgrafH. I I Chem. Ber. 1980. Bd. 113. S. 2318.<br />
45. Mathieu J., Panico R. Mecanismes reactionnels en chimie organique. P.:<br />
Hermann, 1972. Рус. пер.: Курс теоретических основ органической<br />
химии. M.: Мир, 1975.<br />
46. Потапов В.M. Стереохимия. M.: Химия, 1976.<br />
47. Lochmuller С.Н., Souter R.W. // Chromatogr. Rev. 1975. Vol. 19. P. 283.<br />
48. Liu R.H., Ku W.W. // Ibid. 1983. Vol. 271. P. 309.<br />
234<br />
49. Souter R.V. Chromatographic separation of stereoisomers. Boca Raton:<br />
CRC press, 1985.<br />
50. Koppenhofer B., Bayer E. Il Science of chromatography / Ed. F. Bruner,<br />
Amsterdam: Elsevier, 1985.<br />
51. Konig W.A. The practice of enantiomer separation by capillary gas chromatography.<br />
Heidelberg: Huttig, 1987.<br />
52. Allenmark S.G. Chromatographic enantioseparation: Methods and applications.<br />
Chichester: Ellis Horwood, 1988.<br />
53. GiI-Av E., Feibush B., Charles-Sigler R. // Tetrahedron Lett. 1966. N 10.<br />
P. 1009.<br />
54. GiI-Av E., Feibush B. // Ibid. 1967. N 35. P. 3345.<br />
55. Feibush B. //Chem. Commun. 1971. NlLP. 544.<br />
56. Charles R., Better U., Feibush B., GiI-Av E. I/ J. Chromatogr. 1975.<br />
Vol. 112. P. 121.<br />
57. Chang S.-C, Charles R., GiI-Av E. Il Ibid. 1982. Vol. 235. P. 87.<br />
58. Chang S.-C, Charles R., GiI-Av E. Il Ibid. Vol. 238. P. 29.<br />
59. Lochmuller CH., Souter R.W. I/ Ibid. 1974. Vol. 88. P. 41.<br />
60 Oi N., Doi T., Kitahara H., lnda Y. Il Ibid. 1981. Vol. 208. P. 404.<br />
61. Oi N., Horiba M., Kitahara H. Il Agr. Biol. Chem. 1979. Vol. 43.<br />
P. 2403.<br />
62. Oi N., Horiba M., Kitahara H. // J. Chromatogr. 1980. Vol. 202. P. 299.<br />
63. Oi N., Horiba M., Kitahara H. // Agr. Biol. Chem. 1981. Vol. 45. P. 1509.<br />
64. Horiba M., Kida S., Yamamoto S., Oi N. // Ibid. 1982. Vol. 46. P. 281.<br />
65. OiN., Kitahara H., Inda Y., Doi T. //J. Chromatogr. 1981. Vol. 213. P. 137.<br />
66. Oi N., Kitahara H., Inda Y., Doi T. Il Ibid. 1982. Vol. 237. P. 297.<br />
67. Oi N., Doi T., Kitahara H., Inda Y. Il Ibid. 1982. Vol. 239. P. 493.<br />
68. Oi N., Kitahara H., Doi T. // Ibid. 1983. Vol. 254. P. 282.<br />
69. Oi N., Takai R., Kitahara H. // Ibid. Vol. 256. P. 154.<br />
70. Schurig V., Burkle W., Zlatkis A., Poole C Il Naturwissenschaften. 1980.<br />
Bd. 66. S. 423.<br />
Tl. Schurig V. //Chromatographia. 1980. Vol. 13. P. 263.<br />
72. Weber R., Hintzer K., Schurig V. Il Naturwissenschaften. 1980. Vol. 67.<br />
S. 453.<br />
73. Schurig V., Weber R. // J. Chromatogr. 1981. Vol. 217. P. 51.<br />
74. Weber R., Schurig V. // Naturwissenschaften. 1981. Bd. 68. P. 330.<br />
75. Schurig V., Burkle W. //J. Amer. Chem. Soc, 1982. Vol. 104. P. 7573.<br />
76. Oi N., Horiba M., Kitahara H. et al. // J. Chromatogr. 1980. Vol. 202.<br />
P. 305.<br />
77. Oi N., Shiba K., Tani T. et al. // Ibid. 1981. Vol. 211. P. 274.<br />
78. Frank H., Nicholson G.. Bayer E. Il J. Chromatogr. Sci. 1977. Vol. 15.<br />
P. 174.<br />
79. Frank H., Nicholson G., Bayer E. /I Angew. Chem., 1978. Bd. 90. S. 396.<br />
80. Saeed T., Sandra P., Verzele M. // J. Chromatogr. 1979. Vol. 186. P. 611.<br />
81. Saeed T., Sandra P., Verzele M. // J. High Resolut. Chromatogr.<br />
Chromatogr. Commun. 1980. Vol. 3. P. 35.<br />
82. Konig W.A., Benecke I. // J. Chromatogr. 1981. Vol. 209. P. 91.<br />
83. Konig W.A., Benecke I. // Ibid. Vol. 217. P. 71.<br />
84. Konig W.A., Benecke I., Bretting H. Il Angew. Chem. 1981. Bd. 93. S. 688.<br />
235
85. Benecke 1., Schmidt E., Konig W.A. Il J. High Resolut. Chromatogr.<br />
Chromatogr. Commun. 1981. Vol. 4. P. 553.<br />
86. Koppenhoffer B., Allmendinger H., Nicholson G. Il Angew. Chem. 1985.<br />
Bd. 97. S. 46.<br />
87. Koppenhoffer B., Allmendinger H. // Chromatographia. 1986. Vol. 21.<br />
P. 503.<br />
88. Feibush B., GiI-Av E. //Tetrahedron. 1970. Vol. 26. P. 1361.<br />
89. Loshmuller CH., Harris JM., Souter R.W. // J. Chromatogr. 1972.<br />
Vol.71. P. 405.<br />
90. Beitler U., Feibush B. // Ibid. 1976. Vol. 123. P. 149.<br />
91. Koppenhoffer B., Bayer E. //Chromatographia. 1984. Vol. 19. P. 123.<br />
92. Bayer E. //Ztschr. Naturforsch. 1983. Bd. 386. S. 1281.<br />
93. Frank H., Nicholson G.E., Bayer E. // J. Chromatogr. 1978. Vol. 146.<br />
P. 197.<br />
94. Frank H., Rettenmeier A., Weicker H. et al. // Anal. Chem. 1982. Vol. 54.<br />
P. 715.<br />
95. LeavittA.L., Sherman W.R. // Meth. Enzymol. 1982. Vol'89. P. 3.<br />
96. Weber R., Schurig V. // Naturwissenschaften. 1981. Bd. 67. S. 453.<br />
97. Konig W.A., Benecke I., Bretting H. // Angew. Chem. 1981. Bd. 93. S. 688.<br />
98. Konig W.A., Benecke 1., Sievers S. // J. Chromatogr. 1982. Vol. 238.<br />
P. 427.<br />
99. Konig W.A., Franke W., Benecke 1. // Ibid. Vol. 239. P. 227.<br />
100. Konig W.A., Benecke 1., Ernst K. // Ibid. Vol. 253. P. 267.<br />
101. Konig W.A., Benecke I. // Ibid. 1983. Vol. 269. P. 19.<br />
102. Smolkova E., Kralova H., Krysl S., Felte L. Il Ibid. 1982. Vol. 241, N 1.<br />
P. 3-8.<br />
103. Sybilska D., Koscielski T. // Ibid. 1983. Vol. 261. P. 357.<br />
104. Koscielski Г., Sybilska D., Jurczak J. // Ibid. P. 131.<br />
105. Kreis P., MosandlA. //Flavor, Fragrance J. 1992. Vol. 7. P. 187-193.<br />
106. Kreis P., Dietrich A., Juchelka D., Mosandl A. // Pharm. Ztg. Wiss. 1993,<br />
N 5/6. S. 149-155.<br />
\Ql.Heuer U., Braunsdorf R., Kreis P. et al. // Chem. Microbiol. Technol.<br />
Lebensmitt., 1992. Bd. 14. S. 129-133.<br />
108. Casablanca H., Graff J.B., Faugier V. et al. // J. High Resolut Chromatogr.<br />
Chromatogr. Commun. 1998. Vol. 21. P. 107-112.<br />
109. Konig W.A. II Ibid. 1993. Vol. 16. P. 569- 586.<br />
110. Schurig V., Schmalzing D., Muehleck U. Il Ibid. 1990. Vol. 13. P. 713.<br />
1 W. Bicchi C, D'Amato A., Artuffo G. et al. // Ibid. 1995. Vol. 18. P. 49.<br />
112. Bicchi C, D'Amato A., Manzin V. et al. // Ibid. 1999. Vol. 22.<br />
113. Bicchi C, Balbo C, D'Amato A., Manzin V. // Ibid. 1998. Vol. 21, N 2.<br />
P. 103-106.<br />
114. Franke S., Meyer C, Specht M. et al. Il Ibid. P. 113-120.<br />
115. Dietrich A., Maas B., Messer W. et al. // Ibid. 1992. Vol. 15. P. 590.<br />
116. Konig W.A., Krebber R., Mischnick P. // Ibid. 1989. Vol. 12. P. 732.<br />
117. Konig W.A., Icheln D., Runge T. et al. // Ibid. 1990. Vol. 13. P. 702.<br />
118. Konig W.A., Gehrcke B., Icheln D. et al. // Ibid. 1992. Vol. 15. P. 184.<br />
Глава 7<br />
АППАРАТУРА ДЛЯ КАПИЛЛЯРНОЙ<br />
ХРОМАТОГРАФИИ<br />
7.1. ОСОБЕННОСТИ<br />
ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ,<br />
ПРИМЕНЯЕМОЙ ПРИ РАБОТЕ<br />
С КАПИЛЛЯРНЫМИ КОЛОНКАМИ<br />
Специфические особенности газохроматографической аппаратуры<br />
для работы с капиллярными колонками связаны с рядом<br />
отличий последних от обычных наполненных колонок. Такими<br />
особенностями являются крайне малые объемы допустимых<br />
проб, весьма незначительные значения расхода газа, проходящего<br />
через колонки, и высокие скорости изменения концентрации<br />
при элюировании передних и задних фронтов хроматографических<br />
пиков [1].<br />
Различия в требованиях к конструктивному оформлению<br />
хроматографического прибора при работе с обычными наполненными<br />
и капиллярными колонками можно пояснить с помощью<br />
следующего простого примера. Если время удерживания<br />
данного компонента принять равным 10 мин и постоянным для<br />
обоих типов колонок, то при эффективности наполненной колонки<br />
2 тыс. т.т. ширина его пика на средней линии, выраженная<br />
в единицах времени, составит 32 сек. В случае капиллярной колонки<br />
с эффективностью 40 тыс. т.т. ширина пика будет равна<br />
лишь 7 сек. При скорости газа-носителя на выходе наполненной<br />
колонки 50 мл/мин объем газа, соответствующий найденной ширине<br />
пика, будет близок к 27 мл. В случае капиллярной колонки,<br />
через которую проходит всего 1-2 мл/мин, за время выхода пика<br />
пройдет не более 0,5 мл. Если газовая линия, идущая, например,<br />
от колонки к детектору, имеет длину 100 мм и диаметр 2 мм, как<br />
в ряде существующих хроматографов, то ее объем, равный<br />
примерно 0,3 мл, по отношению к объему газа, соответствующего<br />
237
238<br />
-E<br />
I'<br />
смешанный<br />
поток<br />
газ из<br />
колонки<br />
ширине пика, составит лишь 1% в случае наполненной колонки и<br />
почти 30% для капиллярной. Понятно, что наличие такой коммуникации<br />
не отразится заметным образом на эффективности разделения<br />
в первом случае и вызовет ее весьма существенное снижение<br />
во втором. Помимо этого, наличие таких паразитных объемов<br />
приводит к серьезному искажению формы пиков, нарушению<br />
их симметричности и появлению размытых задних фронтов<br />
("хвостов"). Опыт эксплуатации капиллярных колонок показывает,<br />
что особенно неблагоприятно наличие паразитных объемов<br />
на выходе колонки, т.е. между колонкой и детектором. Были<br />
испытаны разнообразные приемы, направленные на устранение<br />
вредных последствий этого явления, связанных с наличием в<br />
конструкции хроматографа протяженных коммуникаций, соединяющих<br />
колонку с дозатором-испарителем и с детектором. Если<br />
по конструктивным соображениям нельзя непосредственно соединить<br />
капиллярную колонку с испарителем и детектором, то<br />
простейшим приемом является интенсивная вентиляция всех газовых<br />
полостей на пути движения анализируемой пробы вспомогательными<br />
газовыми потоками. Пути осуществления этого<br />
принципа при транспортировке пробы из зоны испарения до входа<br />
в колонку, а также на выходе из колонки показаны на рис. 50.<br />
При использовании пламенно-ионизационного детектора<br />
вспомогательным газом может быть подаваемый в него водород<br />
или специальный поток негорючего газа. В случае аргонового<br />
или гелиевого ионизационных детекторов следует применять во<br />
вспомогательных потоках соответствующий инертный газ [1].<br />
Все соединения капиллярных колонок между собой и с другими<br />
элементами прибора должны быть выполнены так, чтобы объем<br />
возникающих при этом полостей был бы минимальным. Ранее существовало<br />
мнение о том, что при соединении двух готовых капиллярных<br />
колонок эффективность полученной в результате этой<br />
операции более длинной колонки оказывается меньше, чем эффективность<br />
каждой из объединяемых колонок. Однако это не так, и<br />
при рациональной конструкции соединения, видимо, можно получить<br />
число теоретических тарелок удлиненной колонки, составляющее<br />
80-90% суммы эффективностей каждого из объединяемых<br />
отрезков. Рациональные конструкции соединений показаны на<br />
рис. 51 и 52. Достижение успеха в этом случае облегчается, если внутренний<br />
диаметр соединительной детали равен внешнему диаметру<br />
соединяемых капилляров, а их концы аккуратно заточены так, что<br />
образуют плоские торцы, перпендикулярные оси капилляра.<br />
Распространенные за рубежом соединительные детали<br />
"Свейджлок" показаны на рис. 52, д, а на рис. 52, б-г представлены<br />
конструкции соединительных деталей для капиллярных коло-<br />
вспомогательный<br />
поток<br />
проба<br />
в колонку<br />
сброс в<br />
атмосферу<br />
к детектору<br />
Рис. 50. Вентилирование коммуникаций хроматографа<br />
а - общая схема; б - при вводе пробы; в - на выходе из колонки<br />
Рис. 51. Конструкции узлов соединения капиллярных колонок<br />
а - паяное соединение; 6 - резьбовое соединение<br />
239
нок отечественного производства [3, 4]. Часто металлические капиллярные<br />
колонки можно соединять между собой и с коммуникациями<br />
прибора с помощью уплотняющих шайб из тефлона [5]<br />
или из силиконовой резины (рис. 52, а).<br />
Более сложным является соединение капиллярных колонок<br />
из стекла. Недостаточная прочность стекла не позволяет применять<br />
в качестве уплотняющего материала фторопласт, а силиконовая<br />
резина часто не обеспечивает необходимой термической<br />
стабильности соединения. Поэтому при рабочей температуре выше<br />
200-22O 0 C применяют другие способы соединения, в частности,<br />
тонкие впаянные в стекло капилляры из платины или нержавеющей<br />
стали [6]. Для этой цели пригодны также и небольшие<br />
отрезки гибких кварцевых капилляров [7]. Для соединения стеклянных<br />
капиллярных колонок с выполненными из стекла коммуникациями<br />
хроматографа с успехом применяли расплавы солей<br />
хлористого серебра и хлористого таллия [8-10], обеспечивающие<br />
возможность работы до температуры около 400 0 C. Описано применение<br />
для присоединения стеклянных капиллярных колонок<br />
силиконовых и полиимидных клеев и замазок (например, силикосет-151)<br />
[11]. Конструкция узла, допускающего присоединение к<br />
коммуникациям хроматографа стеклянной колонки без деформации<br />
ее концов, показана на рис. 52, е.<br />
Наиболее совершенным является уплотнение соединений стеклянных<br />
колонок друг с другом или другими элементами аппаратуры<br />
с помощью уплотняющих втулок, выполненных из прессованного<br />
графита (рис. 53) [12]. Кроме того, широко применяются тонкие<br />
фторопластовые трубки с внутренним диаметром 1-2 мм.<br />
Эти трубки обладают способностью сильно сжиматься при<br />
нагревании небольшим пламенем горелки или небольшим трубчатым<br />
электронагревателем, плотно обжимая соединяемые капилляры<br />
и коммуникации хроматографа [13].<br />
Конфигурация капиллярной колонки определяется конструкцией<br />
хроматографа. Металлическим капиллярам до нанесения<br />
неподвижной жидкой фазы или после этой операции может быть<br />
придана любая форма в соответствии с конструктивными особенностями<br />
термостата хроматографа или другими специальными<br />
требованиями. Капилляры, смотанные в плотную "бухту" или<br />
моток (рис. 54, а), очень компактны и могут быть размещены в<br />
очень миниатюрном термостате.<br />
Однако такой плотный моток медленно прогревается, что удлиняет<br />
время установления режима хроматографа и затрудняет<br />
применение программирования температуры. Намотанные на<br />
плоские или цилиндрические каркасы в один или несколько слоев<br />
капилляры более громоздки, требуют термостат больших разме-<br />
240<br />
Рис. 52. Соединительные детали для капиллярных колонок<br />
а - соединение с резиновыми или фторопластовыми шайбами; б - соединение<br />
хроматографа "Цвет-4"; в - соединение хроматографа ЛХМ-8МД;<br />
г - соединение хроматографа "Биохром-1" (СКБ ИОХ АН СССР) по<br />
ГОСТ 16285-74; д - соединение "Свейджлок"; е - присоединение стеклянной колонки<br />
без деформации ее концов<br />
ров и занимают много места при хранении [14, 15], однако удобны<br />
при нанесении жидкой фазы динамическим способом и быстро<br />
прогреваются (рис. 54, б и в). Удобен каркас для металлических<br />
капилляров, применяемый в лаборатории автора, достаточно<br />
компактный и обеспечивающий быстрый прогрев капилляра до<br />
241
Рис. 53. Соединение стеклянных колонок с графитовыми уплотнителями<br />
/ - графитовое уплотнение; 2 - упорное кольцо; 3 - накидная гайка; 4 - соединительный<br />
штуцер<br />
Рис. 54. Конфигурации металлических капиллярных колонок<br />
а - "бухта"; б - цилиндр; в - плоская катушка; г - кассета-книга<br />
желаемой температуры. При хранении такие каркасы с капиллярными<br />
колонками ставят на полку, как книги (рис. 54, г).<br />
В большинстве случаев капиллярная колонка представляет собой<br />
трубку круглого сечения с внутренним диаметром 0,05-1,5 мм<br />
и длиной от 3-5 до 300-400 м и более. Известны капиллярные колонки<br />
и иной конфигурации. В настоящее время такие колонки<br />
применяются лишь в редких случаях, однако нельзя исключить,<br />
что они найдут более широкое применение в будущем.<br />
Так, описана капиллярная колонка, канал которой образован<br />
двумя плотно сжатыми металлическими дисками, на каждом из ко-<br />
242<br />
торых выполнена спиральная канавка прямоугольного или трапецеидального<br />
сечения глубиной 0,2-0,4 мм и шириной 0,3-0,5 мм.<br />
Шаг спирали может составлять 0,3-1,0 мм. На стенки такой спиральной<br />
канавки наносится неподвижная жидкая фаза или твердый<br />
адсорбент. Между дисками находится уплотняющая прокладка,<br />
обеспечивающая герметичность двух спиральных капиллярных каналов<br />
[16]. Эксперименты, проведенные в лаборатории автора, показали,<br />
что при всей привлекательности такой идеи достичь полной<br />
герметичности путем стягивания дисков болтами достаточно<br />
затруднительно. Более удачная конструкция капиллярной колонки<br />
состоит из двух дисков из нержавеющей стали или иного металла,<br />
соединенных контактной сваркой. При этом на одном из дисков<br />
выполнена спиральная канавка, на стенки которой нанесена неподвижная<br />
жидкая фаза или твердый адсорбент (рис. 55) [17]. Достаточно<br />
термостойкие адсорбенты и твердые носители могут быть<br />
нанесены на стенки канавки до сварки дисков, а менее термостойкие<br />
неподвижные фазы, как, например, полисилоксаны, могут<br />
быть нанесены после сварки дисков статическим или динамическим<br />
способом, как описано в гл. 5. Капиллярные колонки такого<br />
типа, предназначенные для работы при низких температурах (до<br />
100 0 C), по-видимому, могли бы быть выполнены из пластмассы,<br />
однако такая возможность пока никем не реализована.<br />
Интересным вариантом подобной капиллярной колонки является<br />
система, описанная в работе [18], где спиральный канал был<br />
образован путем свертывания в рулон двух металлических лент<br />
разной ширины. Применяя в качестве адсорбента в такой капиллярной<br />
колонке длиной 10 м графитированную сажу, авторам удалось<br />
осуществить разделение ряда углеводородов с эффективностью<br />
в несколько тысяч теоретических тарелок [19].<br />
По-видимому, перспективно применение капиллярных колонок,<br />
приготовленных путем свертывания в рулон тонких пластмассовых<br />
или металлических лент с нанесенными на них зернистыми<br />
адсорбентами или твердыми носителями, содержащими<br />
соответствующую неподвижную жидкую фазу. Торцы такого рулона<br />
могут быть герметизированы какой-либо твердеющей полимерной<br />
композицией (эпоксидной смолой, силиконовой замазкой<br />
и др.). Поперечный размер такой колонки будет близок к величине<br />
зерна применяемого сорбента. Проведенные в лаборатории<br />
автора первые опыты с такой колонкой показали перспективность<br />
такого подхода [20].<br />
В технологии изготовления стеклянных капиллярных колонок<br />
привлекают внимание так называемые поликапиллярные колонки.<br />
Эти колонки, которые было бы правильнее называть<br />
многоканальными, представляют собой стеклянные стержни<br />
243
ки [22]. Очень тщательно отработанная технология производства<br />
позволяет получать стеклянные поликапиллярные заготовки,<br />
отдельные капилляры в которых различаются по диаметру не<br />
более, чем на 1%. Чаще эти различия составляют 3-5%, что приводит<br />
к серьезному ухудшению разделяющей способности готовых<br />
колонок. Показано, что эффективность поликапиллярной<br />
колонки Н р выражается следующим уравнением<br />
Н р = Н 0 + А]Ь, (7-3)<br />
Рис. 55. Геометрический профиль планарной колонки<br />
/ - верхняя пластина; 2 - неподвижная фаза; 3 - диффузионная сварка;<br />
4 - нижняя пластина<br />
длиной 0,2-1,0 м прямой или изогнутой формы, пронизанные по<br />
длине несколькими сотнями или тысячами капиллярных каналов<br />
диаметром 10-100 мкм (рис. 55) [21, 22]. Идея создания высокоэффективной<br />
колонки в виде пучка тонких капилляров, сочетающей<br />
высокую эффективность с возможностью анализа проб<br />
большего объема, чем допускает единичный капилляр, была высказана<br />
впервые Голеем [23], но долго не находила своего воплощения<br />
вследствие технических трудностей изготовления. Эти<br />
трудности удалось преодолеть авторам работ [21, 22]. Колонки<br />
такого типа изготавливают путем многократного вытягивания<br />
заготовок, собранных из пучка стеклянных трубок, заключенных<br />
во внешнюю стеклянную трубку - оболочку большего диаметра.<br />
При этом важно, чтобы стекло, из которого сделана оболочка,<br />
размягчалось бы при несколько более низкой температуре, чем<br />
внутренние стеклянные трубки. Так, например, если заполняющие<br />
внутренние трубки сделаны из стекла С87-2 с температурой<br />
размягчения 500 0 C, то трубку-оболочку следует выполнить из<br />
стекла MKO-108 с температурой размягчения 480 0 C. Трубки, из<br />
которых будут образованы капилляры, помещают в оболочку,<br />
перемежая их с более тонкими палочками из более легкоплавкого<br />
стекла, нужными для того, чтобы заполнить каналы, которые<br />
могли бы образоваться между внешними стенками круглых трубок.<br />
После вытягивания поликапиллярной колонки на ее внутренние<br />
стенки наносят неподвижную фазу, причем особое внимание<br />
при этом уделяют обеспечению одинакового времени удерживания<br />
разделяемых веществ на всех капиллярах данной колон-<br />
244<br />
где H 0 - эффективность отдельного капилляра в пучке; A 2 S - дисперсия<br />
распределения диаметров капилляров; aL- длина поликапиллярной<br />
колонки. Из этого соотношения следует, что рост эффективности<br />
поликапиллярной колонки с увеличением ее длины<br />
быстро замедляется. Практика эксплуатации таких колонок показала,<br />
что увеличение ее длины сверх 1,0-1,5 м не дает скольконибудь<br />
заметного увеличения эффективности. Однако даже при<br />
длине 0,2-0,5 м такие колонки имеют интересные аналитические<br />
возможности.<br />
Суммарное сечение всех капилляров поликапиллярной колонки,<br />
имеющей, например, 1000 каналов диаметром 30 мкм, составляет<br />
примерно 1 мм 2 , что соответствует размерам макрокапиллярной<br />
колонки и позволяет вводить пробы в 10 раз большие, чем<br />
обычные капиллярные колонки диаметром 0,3 мм. В то же время<br />
эффективность единичной капиллярной колонки диаметром<br />
0,03 мм будет согласно уравнению Голея [23] по крайней мере в несколько<br />
раз выше, чем эффективность колонки диаметром 0,3 мм.<br />
Это обстоятельство существенно облегчает анализ проб большого<br />
объема и позволяет увеличить полную чувствительность хроматографической<br />
системы, т.е. уменьшить предельно определяемые<br />
концентрации малых примесей. В то же время поликапиллярная<br />
колонка длиной 0,2-1,0 м обеспечивает очень высокую скорость<br />
анализа, так что даже при весьма умеренных температурах<br />
анализ, например, смеси углеводородов C 6 -C ш может быть проведен<br />
всего за 20-60 сек [25]. Такое сочетание свойств и определило<br />
сферу применения поликапиллярных многоканальных колонок:<br />
экспресс-анализы в полевых условиях с использованием переносных<br />
газохроматографических приборов с целью обнаружения высокотоксичных<br />
загрязнений окружающей среды, взрывчатых веществ,<br />
наркотиков и т.п. [26, 27]. Будучи, несомненно, высокоэффективной<br />
колонкой, позволяющей получить при длине 0,2-0,6 м<br />
эффективность в три-пять тыс. т.т., поликапиллярная колонка<br />
представляет собой, по-существу, наполненную колонку с упорядоченной<br />
насадкой, что и обеспечивает малое сопротивление по-<br />
245
^штштт<br />
^ssssssss^ss^ssssy<br />
Шшшш/Ш<br />
Рис. 57. Стальные трубки со стеклянной футеровкой<br />
/ - сталь; 2 - стекло<br />
Рис. 56. Поликапиллярная колонка<br />
току газа-носителя и, как следствие, высокую скорость газо-хроматографического<br />
анализа (рис. 56).<br />
Однако при несомненной полезности поликапиллярных колонок<br />
для целей экспресс-анализа и полевых анализаторов, они<br />
имеют органически присущие им принципиальные ограничения<br />
эффективности, не превышающей эффективности хороших наполненных<br />
колонок.<br />
При работе с капиллярными колонками приобретает особое<br />
значение качество и объем всех соединительных коммуникаций<br />
хроматографов. Наиболее распространенным материалом для их<br />
изготовления является нержавеющая сталь. Однако были испытаны<br />
и другие материалы, в частности, благородные металлы.<br />
Трубки из золота, платины и сплавов золота с платиной и платины<br />
с иридием длиной до 40 м и диаметром 0,3 мм были испытаны<br />
в качестве материалов для изготовления собственно капиллярных<br />
колонок, а трубки из платины и платино-иридиевого сплава<br />
длиной до 0.5 м и диаметром 0,85 мм были испытаны в качестве<br />
материалов для газовых коммуникаций хроматографа [28]. Проведенные<br />
испытания показали, что даже столь дорогостоящие<br />
материалы в целом оказываются хуже по своей адсорбционной<br />
активности, чем пассивированные стеклянные капилляры.<br />
При работе со стеклянными капиллярными колонками значительную<br />
помощь оказывает использование нержавеющих трубок<br />
со стенкам», футерованными изнутри стеклом (рис. 57) [29]. Такие<br />
246<br />
трубки легко сгибаются без повреждения слоя стекла при нагреве<br />
в пламени газовой горелки до тёмнокрасного каления. При этом им<br />
может быть придана любая желаемая конфигурация. В этом случае<br />
соединение стеклянной капиллярной колонки с коммуникациями<br />
хроматографа может быть выполнено без изменения ее формы<br />
(см. рис. 52е), а сама она может быть заключена в защитный каркас,<br />
надежно предохраняющий ее от повреждений (рис. 58). Рациональные<br />
конструкции таких кассет описаны Кайзером [30] и Куком<br />
[31]. В то же время имеют место определенные опасения о возможности<br />
поломок стеклянных и кварцевых капиллярных колонок в<br />
металлических кассетах, поставляемых производителями капиллярных<br />
колонок. Так, в работе [32] рекомендуется извлекать получаемые<br />
от производителей кварцевые колонки из металлических<br />
кассет и для сохранения их формы связывать их термостойкими нитями.<br />
например, из стеклянной или кварцевой пряжи.<br />
Часто, однако, приходится до установки стеклянной капиллярной<br />
колонки в хроматограф изменять конфигурацию ее концов на<br />
длине 100-200 мм, выпрямляя их и затем изгибая нужным образом.<br />
Эту операцию легко выполнить, размягчая конец капилляра в<br />
диффузном пламени газовой горелки и предоставляя ему выпрямиться<br />
под действием силы тяжести (рис. 59). При небольшом навыке<br />
эта операция осуществляется без особого труда. В то же время<br />
описаны довольно многочисленные конструкции приспособлений<br />
для выпрямления концов стеклянных капиллярных колонок с<br />
небольшими электрическими нагревателями [33-36].<br />
Очень малые расходы газа-носителя напосредственно в капиллярной<br />
колонке предъявляют повышенные требования ко<br />
всем соединительным деталям, используемым для соединения колонки<br />
с испарителем и с детектором. Это имеет особо важное<br />
значение в тех случаях, когда в хроматографе используют более.<br />
247
^p<br />
Рис. 58. Металлическая кассета для стеклянной<br />
капиллярной колонки<br />
лем Карбовакс 2OM при анализе смесей углеводородов Ci 2 -C] 7 .<br />
Сходные цельностеклянные тройники и делители потока описаны<br />
также Мюллером и Уолтером [38]. Рациональная конструкция делителя<br />
потока для соединения капиллярной колонки с двумя детекторами<br />
приведена и в работе [39]. В этой работе пучек из трех<br />
кварцевых капилляров вклеивали полиимидным высокотемпературным<br />
клеем (компания "Alltech", США, [40]) в тонкую стеклянную<br />
трубку с запаянным концом. Вся конструкция имела диаметр<br />
всего 2,2 мм и длину около 7 мм. Сходные конструкции делителей<br />
газового потока описаны также в работах [41-44]. О применении<br />
миниатюрных коммерчески доступных делителей потока сообщается<br />
в работе [45]. Миниатюрный делитель потока, установленный<br />
перед капиллярной колонкой и направляющий часть введенной<br />
пробы метиловых эфиров жирных кислот в реактор для гидрирования,<br />
описан в работе [46], а в сообщении [47] приведена конструкция<br />
переходника, используемого в системе для анализа равновесного<br />
пара и собранного из готовых втулок и резьбовых деталей по типу<br />
известного набора деталей "Свейджлок".<br />
Описаны и другие конструкции разъемных узлов, предназначенных<br />
для присоединения стеклянных и кварцевых капиллярных<br />
колонок к коммуникациям хроматографов. Обычно при<br />
этом используют соединительные втулки, изготовленные из мягких<br />
металлов или из графита [48].<br />
7.2. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ВВОДА ПРОБ<br />
В КАПИЛЛЯРНЫЕ КОЛОНКИ<br />
Рис. 59. Выпрямление концов стеклянной<br />
капиллярной колонки над пламенем газовой<br />
горелки<br />
чем один детектор, например, неселективный пламенно-ионизационный<br />
и селективный термоионный азотно-фосфорный или<br />
электронно-захватный детектор.<br />
Так, в работе [37] подробно описана техника изготовления миниатюрных<br />
тройников для деления потоков на выходе стеклянной<br />
капиллярной колонки размером 20 м х 0,25 мм с полиэтиленглико-<br />
248<br />
Для обеспечения высокой эффективности разделения в капиллярных<br />
колонках важное значение имеет ширина начальной зоны<br />
вводимой пробы. В идеальном случае распределение концентраций<br />
всех компонентов в пробе, вводимой в колонку, должно было бы<br />
соответствовать 5-функции - бесконечно узкой зоне с бесконечно<br />
высокой концентрацией. Однако конечное время процесса ввода<br />
пробы, хотя и очень малое, приводит к тому, что начальная хроматографическая<br />
зона имеет некоторую конечную ширину, а ее концентрация<br />
не превышает мольной концентрации вводимого вещества<br />
в его чистом паре. Поэтому для обеспечения высокой эффективности<br />
разделения необходимо, чтобы количество вещества во<br />
вводимой пробе m s было бы таким, которое отвечало бы сорбционной<br />
емкости одной теоретической тарелки, т.е. было бы равно<br />
M 5 =X 1 (I + ^g 1 ), (7-4)<br />
249
где X 1 - мольная концентрация вещества в его насыщенном паре;<br />
kj - отношение распределения вещества; a g, = GJn - количество<br />
неподвижной фазы, приходящееся на одну теоретическую тарелку<br />
при общей эффективности колонки п. Малое количество неподвижной<br />
фазы в капиллярных колонках отвечает их малой<br />
сорбционной емкости, что определяет предельно допустимую величину<br />
вводимых проб, равную 0,001-0,005 мг. Это соответствует<br />
объему примерно 0,001-0,005 мм 3 жидкостей или менее 0,1 мм 3<br />
газов или паров. Надежных, хорошо апробированных и воспроизводимых<br />
способов измерения и ввода в колонку хроматографа<br />
столь малых количеств веществ пока не существует. Поэтому в<br />
практике капиллярной хроматографии применяются методы дозирования,<br />
при которых дозирующие устройства отмеряют в<br />
100-1000 раз большие количества веществ, а затем уже введенная<br />
в хроматограф проба разделяется тем или иным способом в<br />
отношении 1/10—1/1000, и лишь меньшая часть направляется в капиллярную<br />
колонку.<br />
Как в любой другой газохроматографической системе, высокие<br />
результаты при разделении компонентов методом капиллярной<br />
хроматографии могут быть получены лишь в том случае, если<br />
в процессе дозирования обеспечиваются общие требования,<br />
сформулированные ниже.<br />
В колонку анализируемая смесь должна поступать в виде как<br />
можно более резко отграниченной зоны паров, имеющих возможно<br />
большую концентрацию. Вводимые вещества до поступления<br />
в колонку должны быть полностью переведены в парообразное<br />
состояние и равномерно смешаны с возможно меньшим<br />
количеством газа-носителя (поскольку полностью исключить такое<br />
перемешивание не удается). Поэтому между точкой ввода<br />
пробы в дозирующее устройство и точкой ее поступления в колонку<br />
проба должна проходить путь, минимально необходимый<br />
для испарения жидких продуктов и полной гомогенизации парогазовой<br />
смеси в потоке. С другой стороны, движение вводимой<br />
пробы до поступления в колонку и объем соответствующих газовых<br />
коммуникаций не должны вызывать заметного размывания<br />
начальной зоны, оказывающего отрицательное влияние на разделение<br />
компонентов. Температура узла ввода должна быть достаточно<br />
высокой, чтобы обеспечить очень быстрое испарение<br />
пробы. В то же время должны быть исключены нежелательные<br />
процессы пиролитического разложения каких-либо компонентов<br />
анализируемой смеси или иные их химические превращения.<br />
Существенным требованием к системе для ввода проб должно<br />
быть предотвращение диффузии паров пробы в газоподводящие<br />
коммуникации, особенно, если они не обогреваются. Проникнове-<br />
250<br />
ние пара в них вследствие диффузии или в результате толчков при<br />
резком увеличении давления в испарителе приводит к тому, что<br />
вводимая зона оказывается сильно растянутой. Вследствие этого<br />
пики отдельных компонентов будут иметь растянутые задние<br />
фронты ("хвосты"), ухудшающие разделение и затрудняющие получение<br />
точных количественных результатов анализа.<br />
Наиболее распространенным методом ввода проб в капиллярные<br />
колонки является дозирование с делением потока или дозирование<br />
с динамическим делением пробы. При этом пробу вво-<br />
Рис. 60. Схема ввода<br />
проб в капиллярную колонку<br />
с делением потока<br />
г ',<br />
F,= F c +F d<br />
AV, ,-¾ Jc<br />
Pi<br />
F d<br />
F d "R c<br />
дят в движущийся газовый поток, который затем разделяется в<br />
требуемом соотношении с помощью пневмосопротивления,<br />
включаемого параллельно колонке [52]. Ввод исходного количества<br />
вещества осуществляется теми же приемами и с помощью<br />
таких же устройств, как и в случае газовой хроматографии на наполненных<br />
колонках.<br />
Принципиальная схема этого метода изображена на рис. 60.<br />
Давления P 1 и P 0 на входе и выходе колонки R c и пневмосопротивления<br />
R d одинаковы, поэтому, как и в случае протекания электрического<br />
тока через параллельно соединенные проводники, количества<br />
газа F c и F d , направляющиеся в колонку и в линию сброса<br />
через пневмосопротивление, будут прямо пропорциональны<br />
проницаемости этих элементов. В том случае, если оба они являются<br />
отрезками капилляра, имеющими неодинаковые сечения,<br />
из формулы (3-7) следует:<br />
_А<<br />
/ V<br />
(7-5)<br />
т.е. коэффициент деления потока прямо пропорционален отношению<br />
длин капиллярных трубок и обратно пропорционален<br />
четвертой степени отношения их диаметров. В том же отношении<br />
разделится и проба AV 5 , введенная в газовый поток.<br />
Идеальный делитель потока должен обеспечить деление вводимой<br />
пробы в заданном отношении при любых изменениях давления<br />
на его входе и выходе. При этом все компоненты пробы<br />
должны быть разделены в одном и том же отношении, независи-<br />
251
мо от их природы, т.е. качественный и количественный состав<br />
части пробы, вошедшей в капиллярную колонку, должен быть<br />
точно таким же, как и состав всей пробы, вводимой в испаритель.<br />
Это означает, что относительные значения площади пиков, найденные<br />
для данной смеси в хроматографическом опыте с тем же<br />
детектором, но без делителя, должны быть точно такими же, как<br />
и при его наличии. При этом площадь данного пика должна оставаться<br />
пропорциональной концентрации соответствующего компонента<br />
даже при изменении таких параметров опыта, как температура<br />
испарителя и колонки, давление и скорость газа, коэффициент<br />
деления потока и т.п. Делитель потока, удовлетворяющий<br />
перечисленным выше условиям, называют линейным.<br />
Чтобы с полной надежностью удостовериться в линейности<br />
применяемого делителя, необходимо провести серию анализов<br />
смесей компонентов, различающихся по температуре кипения на<br />
100-200 0 C. Состав смесей должен быть известен, и концентрации<br />
компонентов должны различаться, по крайней мере, на один порядок<br />
величины. Сохранение постоянства градуировочных коэффициентов<br />
компонентов этих смесей при разных скоростях газа<br />
и температурах испарителя и колонки может являться критерием<br />
линейности делителя потока.<br />
Понятно, что линейная характеристика делителя потока существенно<br />
облегчает количественный анализ с использованием капиллярных<br />
колонок. Для обеспечения линейности деления вводимая<br />
проба вначале должна полностью испариться и гомогенная паро-газовая<br />
смесь должна быть затем разделена в заданном отношении.<br />
Поэтому во многих случаях делитель потока конструктивно<br />
объединяется с обогреваемым дозатором-испарителем. Простейшие<br />
схемы делителей такого типа представлены на рис. 61 А и<br />
б. Эксперименты различных исследователей показали, что эти варианты<br />
конструкции делителей потока не обеспечивают высокой<br />
эффективности хроматографического разделения и достаточной<br />
воспроизводимости результатов количественного анализа. По-видимому,<br />
это можно связать с наличием возмущений газового потока<br />
при резком изменении направления течения газа.<br />
Более удачная конструкция делителя изображена на рис. 61 в.<br />
В ряде работ [53-55] показано, что такой делитель обеспечивает<br />
пропорциональное деление всех компонентов вводимой смеси,<br />
значительно различающихся по концентрации и по температуре<br />
кипения. В этих исследованиях было установлено, что при увеличении<br />
объема вводимой пробы жидкостей от 0,1 до 20 мкл и изменении<br />
коэффициента деления потока от 1/113 до 1/1200 не происходило<br />
искажения количественных результатов анализа. Соотношение<br />
газовых потоков, проходящих через вспомогательный ка-<br />
252<br />
Рис. 61. Делители потока для капиллярной<br />
хроматографии<br />
а - осевой; б - боковой; в - с обращением<br />
потока; г - с невозмущенным<br />
потоком; д - с обращением потока<br />
после его разделения; / - вход<br />
газа-носителя; 2 - сброс газа в атмосферу;<br />
3 - газ-носитель с пробой, направляемый<br />
в колонку<br />
1Г<br />
.. 2<br />
нал делителя и направляемых в<br />
колонку, сохранялось постоянным<br />
при изменении давления<br />
на входе от 0,7 до 2 кг/см 2 . Вводимые<br />
пробы содержали смеси<br />
нормальных углеводородов от<br />
C 8 до C 16 или смеси бензола и о-<br />
ксилола. Для этих измерений к<br />
вспомогательному каналу делителя<br />
присоединяли наполненную<br />
колонку с детектором<br />
по теплопроводности. Отделенная малая часть пробы направлялась<br />
в капиллярную колонку длиной 150 м с пламенно-ионизационным<br />
детектором. Полученные в этих опытах результаты показали,<br />
что делитель потока, показанный на рис. 61 в, не вызывает<br />
искажений количественных результатов при вводе проб, различающихся<br />
по температуре кипения по крайней мере на 150-160 0 C<br />
(126 0 C для н-октана и 288°С для гексадекана).<br />
Удачной конструкцией делителя потока является вариант,<br />
показанный на рис. 61 г [56]. Его авторы считают, что вследствие<br />
более благоприятного распределения скоростей потока в точке<br />
деления в этой конструкции снижается возможность изменения<br />
состава направляемой в колонку части пробы. Кларк [57] предложил<br />
конструкцию (рис. 6Id), в которой вероятность возмущений<br />
газового потока и обратной диффузии паров пробы еще более<br />
снижена.<br />
Опыт эксплуатации дозаторов с делителями потока различной<br />
конструкции позволил сформулировать ряд условий, обеспечивающих<br />
постоянный коэффициент деления и достаточно надежные<br />
результаты определения количественного состава анализируемых<br />
смесей [58]. Отмечается, что при использовании устройств<br />
для ввода проб в капиллярные колонки с делителями газового<br />
потока нужно придерживаться следующих правил: (1) не<br />
следует в ходе анализа изменять установленное вначале соотно-<br />
253
шение потоков; (2) при вводе проб температура колонки должна<br />
быть постоянной; (3) для получения точных количественных результатов<br />
следует вводить пробы постоянного объема; (4) пробы<br />
градуировочных смесей (внешний стандарт) следует вводить в<br />
хроматограф при той же температуре и в том же растворителе,<br />
что и рабочие пробы.<br />
При выводе уравнения (7-1) предполагалось, что вязкость газа<br />
в обоих каналах делителя потока остается постоянной. Нарушение<br />
этого условия при неравномерном испарении веществ,<br />
входящих в состав многокомпонентной пробы, может приводить<br />
к нарушению постоянного соотношения потоков в делителе и к<br />
искажению количественных результатов. Для того чтобы исключить<br />
возможность таких явлений, необходимо, чтобы во все<br />
время пребывания разделяемой пробы в испарителе прибора вязкость<br />
газа, протекающего через пневмосопротивление делителя,<br />
была постоянна.<br />
При расходе газа через колонку около 1 мл/мин, что является<br />
обычным для капилляров диаметром 0,25-0,30 мм, и коэффициенте<br />
деления потока 1/200 количество газа, протекающее через<br />
испаритель, составит примерно 200 мл/мин. Считая, что концентрация<br />
паров пробы в газе, проходящем через испаритель,<br />
меняется по экспоненциальному закону, а объем испарителя и<br />
коммуникаций до входа в колонку равен приблизительно 1 мл,<br />
время пребывания пробы в нем составляет примерно 2-3 сек. За<br />
это время через испаритель пройдет около 10 мл газа-носителя.<br />
Если между точкой входа пробы в колонку и пневмосопротивлением<br />
делителя установить емкость такого объема, то за время<br />
ввода пробы через сопротивление будет проходить только чистый<br />
газ-носитель и какие-либо искажения коэффициента деления,<br />
связанные с изменением вязкости проходящего газа, будут<br />
отсутствовать. Этот принцип с успехом используется в конструкции<br />
современных хроматографов, предназначенных для работы с<br />
капиллярными колонками (рис. 62). При этом указанные емкости<br />
конструктивно могут быть оформлены в виде цилиндрического<br />
баллона с небольшим отношением высоты к диаметру (от<br />
двух до четырех как на рис. 62) или в форме трубки соответствующей<br />
длины.<br />
При конструировании испарителей, предназначенных для дозирования<br />
разделяемых веществ с помощью микрошприца с последующим<br />
делением газового потока, должно уделяться особое<br />
внимание предотвращению проникновения паров вводимой пробы<br />
в газовые коммуникации. Это явление, резко ухудшающее<br />
разделение, может происходить в результате диффузии или<br />
вследствие местного повышения давления при мгновенном испа-<br />
254<br />
рении вводимой пробы. В конструкции узла ввода проб, показанной<br />
на рис. 63, для предотвращения таких явлений вводная трубка<br />
дозатора имеет весьма малый диаметр, так что при вводе пробы<br />
между ее стенками и иглой микрошприца остается зазор шириной<br />
лишь 0,2-0,3 мм [59]. Это приводит к значительному повышению<br />
скорости газа в зазоре, что исключает возможность проникновения<br />
паров пробы в газоподводящую линию. Эта конструкция<br />
иллюстрирует также еще одну важную особенность устройств<br />
для дозирования с делением потока. Даже при использовании<br />
колонок диаметром 0,2-0,3 мм при больших коэффициентах<br />
деления потока 1/100-1/200 расход газа-носителя в капиллярном<br />
хроматографе составляет 0,2-0,5 л/мин, т.е. приближается к<br />
уровню потребления газа-носителя в крупномасштабной препаративной<br />
хроматографии. Такое количество газа обусловливает<br />
необходимость его предварительного подогрева, что обычно осуществляется<br />
в канале достаточной длины, высверленном в нагреваемом<br />
металлическом корпусе дозатора-испарителя. Однако<br />
для этой цели применяют также отдельный подогреватель с регулируемой<br />
температурой [60].<br />
В качестве пневматических сопротивлений, обеспечивающих<br />
требуемый коэффициент деления потока, применяют запорные<br />
и регулировочные вентили разнообразной конструкции, отрезки<br />
капиллярных трубок того же диаметра, что и применяемая колонка,<br />
и в 100-1000 раз меньшей длины, иглы для инъекций и т.п.<br />
Часто устанавливают, кроме пневмосопротивления, также и запорный<br />
клапан, позволяющий направлять газ к пневмосопротивлению<br />
только в период ввода пробы. Так как между моментами<br />
ввода проб расход газа-носителя весьма незначителен, таким путем<br />
достигают экономии большого его количества. В настоящее<br />
время такой прием применяется редко, так как его использование<br />
сопряжено с некоторыми изменениями режима капиллярной<br />
колонки, искажающими хроматограмму.<br />
Тем не менее, этот прием может быть полезен при работе с<br />
дорогостоящими газами, например, с неоном, высокочистыми гелием,<br />
азотом или аргоном. При использовании в качестве пневмосопротивлений<br />
отрезков капилляра с тем же диаметром, что и<br />
применяемая колонка, коэффициент деления потока с точностью<br />
до нескольких относительных процентов равен отношению<br />
длин колонки и применяемого в делителе отрезка капилляра. Поэтому<br />
измерение расхода газа, проходящего через колонку и через<br />
пневмосопротивление делителя не является обязательным.<br />
При использовании регулировочных вентилей или капилляров<br />
другого диаметра для оценки коэффициента деления потока необходимо<br />
измерять расходы газа на выходе колонки и на выходе<br />
255
V, У/////////////////,<br />
У////////////////Щ<br />
'<br />
У///////////////Щ,<br />
S S S S S S S S , S , , , S S S S St I S .<br />
Рис. 62. Испаритель с делителем потока, снабженный дополнительной<br />
цилиндрической емкостью<br />
/ - колонка; 2 - вход газа-носителя; 3 - нагреватель; 4 - мембрана для ввода<br />
проб; 5 - смеситель; 6 - пневмосопротивление; 7 - буферный объем<br />
пневмосопротивления. При этом очень малые значения расходов<br />
газа на выходе капиллярной колонки (0,1-10 мл/мин) требуют использования<br />
расходомеров с мыльной пленкой, имеющих очень<br />
малый диаметр измерительной трубки (1-2 мм). Можно также<br />
непосредственно измерять расход, собирая выходящий из колонки<br />
за определенное время газ в заполненную водой градуированную<br />
пробирку.<br />
Одна из наиболее удачных схем узла ввода пробы с делением<br />
газового потока изображена на рис. 64а [61]. В этой конструкции<br />
в точке ввода пробы поддерживается постоянный расход газа-носителя.<br />
В том сечении, где часть пробы поступает в капиллярную<br />
колонку, устанавливается постоянное давление с помощью вспомогательного<br />
газового потока.<br />
При изменении расхода на входе в дозатор меняется коэффициент<br />
деления пробы без изменения входного давления в колонке,<br />
т.е. при постоянстве условий разделения в колонке и времен<br />
удерживания разделяемых веществ.<br />
Для обеспечения мягких условий испарения и полного смешения<br />
с газом-носителем проба вводится в небольшую стеклянную<br />
колонку длиной 5-7 см и диаметром 4 мм, заполненную инертным<br />
наполнителем, например силанизированными стеклянными<br />
шариками. Такая система обеспечивает строго линейное деление<br />
пробы в отношении от 1 : 10 до 1: 200 с одним и тем же сопроти-<br />
256<br />
Рис. 63. Испаритель капиллярного хроматографа с малым зазором для<br />
прохода газа при вводе проб и с запорным вентилем на линии сброса<br />
/ - колонка; 2 - запорный вентиль; 3 - пневмосопротивление; 4 - точка деления<br />
потока; 5 - обогреваемый металлический блок<br />
влением на выходе. Мягкие условия испарения обеспечивают<br />
возможность применения такого испарителя при анализе стероидных<br />
соединений и других биологически активных и химически<br />
неустойчивых продуктов.<br />
При больших различиях в температурах кипения компонентов<br />
вводимых проб и при неудачных конструкциях дозаторов-испарителей<br />
наблюдаются искажения относительного содержания отдельных<br />
компонентов с потерей части наиболее летучих или, наоборот,<br />
наиболее тяжелых соединений [63-68]. Это явление было<br />
названо "дискриминацией", соответственно, легких или тяжелых<br />
компонентов. Многочисленные исследователи затратили значительные<br />
усилия для выяснения причин этого явления и выработки<br />
способов его устранения. Детальное исследование [69] включало<br />
сопоставление эффективности работы дозаторов-испарителей с<br />
делителями потока при разных конструкциях самого испаряющего<br />
элемента. Этот элемент представлял собой стеклянную трубку<br />
диаметром 3 мм и длиной около 50 мм, которая могла быть пустой<br />
или могла содержать стеклянную или кварцевую вату для создания<br />
большей поверхности испарения. Вариантами конструкции<br />
были трубки с сужениями (наколками) на стенках, на которые по-<br />
9. Руденко Б.A. T. I 257
Рис. 64. Конструкция узла ввода проб с переменным соотношением газовых<br />
потоков<br />
/ - пневмосопротивление; 2 - соединительные трубки; 3 - капиллярная колонка;<br />
4 - форколонка; 5 - пружина; 6 - обогреваемый корпус испарителя;<br />
7 - регулятор давления газа-носителя; 8 - регулятор расхода газа-носителя;<br />
9 - инертный наполнитель форколонки<br />
мещали стеклянный шарик несколько меньшего диаметра, чем сама<br />
трубка. Такие испаряющие элементы могли также иметь небольшие<br />
боковые отверстия ниже шарика (диаметром около<br />
1 мм), через которые поступала часть газа-носителя (рис. 65). Все<br />
стеклянные части испарителя, в том числе шарики и стекловату,<br />
дезактивировали путем силанизации во избежании нежелательных<br />
каталитических изменений каких-либо компонентов пробы.<br />
Возможности таких явлений и пути их устранения были рассмотрены<br />
в работе [63] на примере газохроматографического анализа<br />
2-этилгексанола, очень легко подвергающегося дегидратации.<br />
В работе [62] было показано, что при вводе проб с помощью мик-<br />
258<br />
рошприцев явление дискриминации отдельных компонентов вводимых<br />
проб проявляется в наименьшей степени, если перед забором<br />
пробы в шприц набирают небольшое количество чистого легколетучего<br />
растворителя (ввод проб "с выбросом растворителя") и<br />
применяют испаряющий элемент с шариком и дезактивированной<br />
стекловатой, имеющий отверстия для дополнительного газового<br />
потока (рис. 65). Было установлено, что время испарения проб<br />
объемом около 1 мкл в таком испарителе при температуре<br />
250-270 0 C составляет 1-2 сек. При этом оптимальным способом<br />
ввода проб авторы этой работы считают следующую последовательность<br />
операций: перекрыть поток газа, идущего на сброс в атмосферу,<br />
позволить стабилизоваться давлению (около 10 сек),<br />
ввести пробу и через 1-2 сек вновь открыть линию сброса.<br />
Хотя системы ввода проб в капиллярные колонки с делением<br />
газовых потоков распространены достаточно широко, в ряде случаев<br />
при их применении не исключается возможность нарушения<br />
исходного соотношения концентраций компонентов в анализируемых<br />
объектах, особенно в тех случаях, когда в их состав входят<br />
вещества с сильно различающимися температурами кипения. Такими<br />
объектами оказываются, например, нефтяные фракции,<br />
эфирные масла и т.п. Примерами исследований, в которых изучалось<br />
это явление, могут быть работы [64—68].<br />
В рассмотренных выше устройствах для ввода проб в капиллярные<br />
колонки используется метод дозирования с делением в<br />
заданном соотношении потока газа, содержащего пары подлежащих<br />
разделению компонентов. Возможен и другой принцип дозирования<br />
малого количества вещества в капиллярную колонку:<br />
пробу вначале полностью испаряют в предварительно эвакуированной<br />
камере, после чего малый объем образовавшегося пара<br />
переводят в капиллярную колонку. На этом принципе основаны<br />
многочисленные устройства, описанные и запатентованные во<br />
многих странах мира. Хотя в настоящее время этот метод распространен<br />
относительно мало, он может приобрести значительно<br />
большее значение в будущем.<br />
Принцип метода хорошо иллюстрирует одно из первых устройств<br />
подобного рода [69, 70], описанное Фейешем, Энгельгартом<br />
и Шаем (рис. 66). С помощью устройства, аналогичного так<br />
называемому "микродипперу" [71], подлежащую разделению<br />
пробу в количестве нескольких микролитров вводят в предварительно<br />
вакуумированную нагретую камеру объемом 16 мл. Пары<br />
пробы заполняют всю камеру, в том числе и поперечное отверстие<br />
подвижного штока. Опуская шток, движущийся в фторопластовых<br />
уплотнениях, это отверстие переводят в положение, где<br />
оно соединяет линию подвода газа-носителя с капиллярной коц*<br />
259
Ы)<br />
Рис. 65. Конструкции стеклянных<br />
вкладышей испарителя<br />
/ - корпус вкладыша; 2 - суженное<br />
выходное отверстие; 3 - "наколки"<br />
на стенке стеклянных трубок;<br />
4 - отверстия для прохода газа-носителя;<br />
5 - стеклянный шарик<br />
лонкой. Таким образом, количество пара, заполняющее отверстие,<br />
объем которого равен 16 мкл, переводится в колонку в виде<br />
очень узкой высококонцентрированной зоны. При этом исходная<br />
проба подвергается делению в отношении 1 : 1000. Основная<br />
масса пробы остается в камере и может анализироваться повторно.<br />
Для перехода к анализу нового образца камеру вновь вакуумируют<br />
и вводят новую пробу.<br />
Преимуществом такого дозатора, помимо удобства и малой<br />
ширины начальной зоны, является то, что испарение пробы прок<br />
вакуум - насосу<br />
Рис. 66. Дозатор с предварительным испарением проб<br />
/ - испарительная камера объемом 16 мл; 2 - дозатор жидкой пробы;<br />
3 - фторопластовое уплотнение; 4 - дозировочная емкость жидкой пробы;<br />
5 - дозатор парообразной пробы объемом 16 мкл; 6 - колонка; 7 - запорный<br />
вентиль<br />
260<br />
исходило в вакууме, так что дозатор мог работать при значительно<br />
более низкой температуре, чем при использовании других способов<br />
ввода пробы. Это может иметь особо важное значение при<br />
анализе химически неустойчивых веществ. Испарение пробы может<br />
осуществляться в струе инертного газа, что избавляет от необходимости<br />
иметь вакуумную систему, но приводит к разбавлению<br />
вводимой пробы [72, 73]. Понятно, что при анализе газообразных<br />
проб камера для испарения не требуется, так что вся конструкция<br />
может быть существенно более простой. Действительно,<br />
в литературе описано большое число конструкций крановых<br />
и клапанных устройств для дозирования газообразных проб<br />
[74-82]. Предложен [74] плунжерный дозатор, близкий по конструкции<br />
к описанному выше, но отличающийся отсутствием камеры<br />
испарения. Применялся также весьма точный дозирующий<br />
кран для газов (рис. 67) с отводами диаметром 0,3 мм и фторопластовой<br />
пробкой с выточками разного объема от 1 до 8 мкл [60]. Точность<br />
дозирования с помощью такого крана составляет 0,5% отн.<br />
Важным недостатком методов дозирования проб с делением<br />
газового потока или с отбором части пробы из большого объема<br />
является заметное снижение предела обнаружения малых примесей<br />
в анализируемом материале. Кроме того, применение делителей<br />
любого типа вносит известную неопределенность в результат<br />
количественного анализа данного материала. Поэтому был<br />
предложен ряд способов непосредственного ввода малых проб в<br />
капиллярные колонки. Так, Кёглер [83], измерив с помощью измерительной<br />
лупы длину столбика жидкой пробы в капиллярной<br />
трубке известного диаметра, соединял этот капилляр с линией<br />
подачи газа-носителя и с капиллярной колонкой. Проба поступала<br />
в колонку с одновременным испарением. Очевидные неудобства<br />
такого способа дозирования обусловили его малое распространение.<br />
Этих недостатков лишен метод дозирования [84, 85], в котором<br />
заполненные анализируемой жидкостью капилляры длиной<br />
от 2 до 20 мм и диаметром от 20 до 200 мкм вводятся в испаритель<br />
хроматографа с помощью подающего шприца специальной конструкции<br />
(рис. 68).<br />
Практически достижимо прямое дозирование проб объемом<br />
2 • 10" 6 мкл. Необходимые для этого капилляры могут быть получены<br />
с помощью описанных выше установок для вытягивания<br />
стеклянных капиллярных трубок, например [86], без изгибающего<br />
устройства, а простейший вариант шприца легко выполнить<br />
путем несложной переделки обычного медицинского шприца на<br />
1-2 мл с металлическим поршнем (рис. 68). Проверка этого метода<br />
при дозировании проб объемом 0,01 мкл показала, что раз-<br />
261
Рис. 67. Дозирующий кран с минимальным<br />
объемом коммуникаций<br />
/ - анализируемый газ; 2 - латунная<br />
муфта; 3 - фаска; 4 - фторопластовая<br />
пробка крана; 5 - газ-носитель;<br />
6 - рукоятка<br />
брос величин проб не превышает<br />
7% отн. При работе с капиллярными<br />
колонками с эффективностью<br />
20-50 тыс. т. т.<br />
не наблюдалось снижения качества<br />
разделения из-за уменьшения<br />
скорости испарения пробы<br />
из капилляра. Для повышения<br />
скорости испарения дозатор<br />
хроматографа заполняли<br />
дробленым кварцем, упираясь<br />
в который, капилляр при вводе<br />
пробы разламывается на части<br />
длиной 1-2 мм. Разрушенные капилляры остаются в испарителе<br />
и не мешают вводу последующих проб, так что необходимость в<br />
очистке испарителя не возникает даже после 500-600 операций<br />
ввода проб.<br />
Описано большое число разнообразных устройств, позволяющих<br />
с высокой воспроизводимостью дозировать весьма малые<br />
пробы веществ. Подробное описание приспособления для ввода в<br />
хроматограф очень малых проб величиной от 0,01 до 5 мкг приведено<br />
в работе [87]. Пробы порядка 20 мкг вводили с помощью<br />
микропипетки или специальных шприцевых устройств, однако в<br />
1 5<br />
Рис. 68. Специальный шприц для ввода проб в открытых капиллярах<br />
/ - корпус шприца; 2 - поршень; 3 - прорезь в поршне; 4 - крепление вытесняющего<br />
штока; J - вытесняющий шток; 6 - канюля шприца; 7 - уплотнение<br />
из силиконовой резины; 8 - втулка для ограничения хода поршня; 9 - игла<br />
262<br />
A-A<br />
большинстве случаев газовый объем этих устройств был настолько<br />
велик, что не позволял реализовать высокую разделяющую<br />
способность капиллярных колонок. Исключением являлись<br />
относительно редкие случаи работы с капиллярными колонками<br />
диаметром 1,0-1,5 мм, для которых допустимая величина пробы<br />
и оптимальная скорость газа по крайней мере в десять раз выше,<br />
чем при работе с более обычными капиллярными колонками<br />
диаметром 0,2-0,5 мм [88-90].<br />
Остро осознавая несовершенство техники ввода проб с помощью<br />
щприца, прокалывающего иглой эластичную резиновую<br />
мембрану, многочисленные исследователи изучали весьма разнообразные<br />
способы ввода проб непосредственно в капиллярную<br />
колонку без делителей потока и без эластичных мембран. Стремление<br />
организовать ввод проб без деления потока проявлялось<br />
особенно ярко при необходимости анализа сильно разбавленных<br />
растворов, в которых содержание целевых определяемых компонентов<br />
составляло сотые и тысячные доли процента. В этом случае<br />
при вводе пробы с общим объемом около 0,1 мл количество<br />
веществ, подлежащих определению как раз и составляло<br />
0,01-0,001 мкл, что находится в пределах возможностей обычных<br />
капиллярных колонок диаметром 0,2-0,3 мм. Однако эти пробы<br />
вводятся в этом случае в очень большом объеме легко испаряющегося<br />
растворителя, что резко увеличивает ширину начальной<br />
зоны и не позволяет добиться достаточно высокой эффективности<br />
разделения. На устранение этого противоречия были направлены<br />
усилия многочисленных исследователей.<br />
Шомбург и сотр. [91, 92] описали разработанный ими метод<br />
ввода проб непосредственно в капиллярную колонку и сопоставили<br />
четыре ранее описанных способа ввода проб. Эти авторы<br />
отмечают, что при использовании предложенного ими способа<br />
отпадает необходимость в применении делителей потоков, шприцев<br />
и прокалываемых мембран. Сходные устройства описаны и в<br />
работах [93-98]. Например, в работе [94] японские авторы описали<br />
способ ввода проб в капиллярную колонку без деления потока<br />
при работе на хроматографе "Хитачи модель 063" с пламенноионизационным<br />
детектором. В работе [95] без деления потока с<br />
прямым вводом проб анализировали выхлопные газы автомобильных<br />
двигателей и продукты реакции Фишера-Тропша, представлявшие<br />
собой многокомпонентные смеси углеводородов с<br />
содержанием следовых компонентов на уровне 0,01% и менее.<br />
Малые концентрации полициклических ароматических углеводородов<br />
определяли методом капиллярной хроматографии с<br />
прямым вводом проб в колонку в работе [96]. Предложенный в<br />
этой работе дозатор-испаритель показал ряд преимуществ при<br />
263
сравнении с дозаторами других конструкций. Ряд иных конструкций<br />
дозаторов описаны в работах [97-99]. В последней работе исследуемые<br />
вещества помещали в микрососуды размером<br />
30 х 2,5 мм, которые переводили в нагретую зону испарителя с<br />
помощью магнита и специального толкателя.<br />
Системы для непосредственного ввода проб в капиллярные<br />
колонки описаны также в [100, 101]. Отмечено, что ввод проб<br />
термически неустойчивых веществ в холодный испаритель способствует<br />
получению точных количественных результатов при<br />
анализе карбаматных пестицидов, стероидов и других малоустойчивых<br />
и труднолетучих веществ. В работе [101] описаны устройства<br />
для разрушения стеклянных капилляров с вводимыми пробами<br />
в испарителе хроматографа. Однако в ряде работ по изучению<br />
устройств для прямого ввода проб в капиллярную колонку<br />
отмечались факты искажения количественного состава вводимых<br />
проб, то есть уменьшения относительного содержания наиболее<br />
легколетучих и наиболее тяжелых компонентов [102-105].<br />
Для устранения этого явления были затрачены значительные<br />
усилия, хотя уже в 1981 г. была описана система, по-видимому,<br />
позволяющая сильно уменьшить или вообще устранить этот нежелательный<br />
эффект [106]. В этой работе использовали капиллярные<br />
колонки размером 50 м х 0,4 мм с полисилоксаном<br />
OV-101 в качестве неподвижной фазы. Хроматографические<br />
анализы проводили при 22O 0 C или с программированием температуры<br />
до этого уровня.<br />
В многочисленных публикациях описаны системы, позволяющие<br />
вводить пробы в капиллярные колонки как с делителем<br />
потока, так и без него. Примерами таких работ могут служить<br />
публикации [107, 108].<br />
Попытка количественного описания процесса ввода пробы в<br />
капиллярную колонку с учетом влияния газа-носителя и растворителя<br />
сделана в работе [109]. Хотя эту попытку вряд ли можно<br />
считать вполне успешной, в ней было показано сложное влияние<br />
избытка растворителя при вводе пробы разбавленного раствора<br />
в нагретый испаритель. Кроме того, проведенное в этой работе<br />
рассмотрение позволило выявить связь объема вводимой пробы<br />
с давлением в испарителе в момент ее испарения. При изучении<br />
процесса ввода проб в капиллярные колонки без деления потока<br />
[ПО] К.Гроб и Ньюком показали, что точность и воспроизводимость<br />
получаемых результатов при "холодном" вводе проб зависит<br />
от их объема, от скорости ввода пробы и от соотношения<br />
между температурой колонки и температурой кипения применяемого<br />
растворителя. Было отмечено, что при вводе в капиллярную<br />
колонку проб разбавленных растворов без делителя потока<br />
264<br />
происходят заметные искажения формы хроматографических<br />
пиков (размывание и даже расщепление) целевых компонентов<br />
анализируемых смесей, присутствующих в малых концентрациях<br />
[111]. Позже процесс формирования зон анализируемых соединений<br />
был изучен весьма детально и было показано, что в процессе<br />
переноса компонентов введенной в капиллярную колонку пробы<br />
раствора с низкой концентрацией растворитель после испарения<br />
в устройстве для ввода проб может вновь конденсироваться в<br />
начальном участке колонки [112]. Такая пленка сконденсировавшегося<br />
растворителя может вызывать задержку определяемых<br />
соединений и искажение формы пиков, подчас весьма существенное<br />
[113-115]. Замедление скорости движения веществ в капиллярной<br />
колонке при вводе больших проб очень разбавленных<br />
растворов является результатом набухания пленки неподвижной<br />
фазы в зоне конденсации растворителя. Это приводит не только<br />
к замедлению движения хроматографической полосы, но и к искажению<br />
ее формы, проявляющемуся в первую очередь как ее<br />
расширение в пространстве (то есть по длине колонки) [116]. Для<br />
устранения этого явления была предложена концепция "замедления<br />
удерживания" (retention gap) [117].<br />
Преториус, Лоусон и сотр. [118] различают "холодный прямой"<br />
способ ввода пробы и способ ввода "без деления потока".<br />
В первом случае колонка имеет температуру несколько ниже температуры<br />
кипения применяемого растворителя, так что в колонке<br />
сразу образуется жидкостная пробка, быстро продвигающаяся<br />
под давлением газа-носителя. Во втором случае проба испаряется<br />
в нагретом испарителе и затем вновь конденсируется в колонке.<br />
Авторы работы [118] подчеркивают, что образование пленки<br />
растворителя на стенках колонки может при определенных условиях<br />
приводить к формированию очень узких зон целевых компонентов,<br />
то есть к "фокусированию" зон веществ, вводимых в<br />
форме очень низкоконцентрированных растворов [119]. В сочетании<br />
с "замедлением удерживания" это может дать весьма существенное<br />
улучшение разделения. "Замедление удерживания"<br />
обычно достигается в результате установки между испарителем<br />
и основной разделяющей колонкой отрезка капилляра длиной<br />
0,6-5,0 м со стенками либо совсем непокрытыми неподвижной<br />
фазой, либо покрытыми неполярным сшитым полисилоксаном.<br />
Чтобы обеспечить максимальный эффект переконцентрирования<br />
введенной пробы, этот "замедлитель" не должен обладать<br />
сколько-нибудь значительной собственной удерживающей способностью<br />
[120]. Стенки "замедлителя" должны быть по-возможности<br />
инертны, однако при вводе проб они должны хорошо<br />
смачиваться вводимым или конденсирующимся растворителем.<br />
265
В исследовании Саравалле и сотр. [121] показано, что форма<br />
пиков, образующихся при прямом вводе значительного количества<br />
раствора анализируемых веществ, в сильной степени зависит от характеристик<br />
применяемого растворителя, в частности, от его полярности.<br />
Эти авторы показали, что при вводе относительно большой<br />
пробы объемом 2 мкл в капилляр диаметром 0,32 мм и длиной<br />
25 м при 3O 0 C с последующим нагревом до 80 0 C и далее со скоростью<br />
8 град/мин до 300 0 C растворитель довольно быстро испаряется,<br />
однако перед этим образует в начале колонки жидкую пробку,<br />
длина которой сильно различается для разных растворителей. При<br />
этом неполярные растворители движутся по колонке со скоростью<br />
0,2-0,3 см/сек в форме компактного сплошного столбика жидкости<br />
длиной до трех витков спиральной колонки диаметром около 18 см<br />
(около 2 м длины колонки). Метанол и другие полярные растворители<br />
ведут себя иначе: их жидкая зона растягивается на 15-20 витков<br />
колонки. При этом жидкий столбик разбивается на отдельные<br />
жидкостные линзы, которые быстро движутся по колонке, разрушаются<br />
и сливаются вновь. Испарение растворителя протекает более<br />
интенсивно в замыкающей части его зоны (ее задний фронт<br />
движется быстрее переднего). Полную визуальную картину поведения<br />
растворителя при таком вводе проб удалось наблюдать с помощью<br />
флюоресцирующих в УФ-свете красителей, добавленных в<br />
растворитель [122, 123]. С другой стороны, фиксируемые одновременно<br />
хроматограммы смесей метиловых эфиров алифатических<br />
спиртов C 6 -C 24 показали сильное искажение пиков при вводе этой<br />
смеси в виде 0,1%-ного раствора в метаноле и практически полное<br />
отсутствие таких искажений при переходе от метанола к менее полярным<br />
растворителям - хлороформу и хлористому метилену. Интересно,<br />
что форма искаженных пиков в широком диапазоне молекулярных<br />
масс (C 8 -C 24 ) практически полностью повторяет друг<br />
друга (рис. 69).<br />
При изучении влияния природы и состава растворителя с применением<br />
смесей метанола и хлороформа было установлено, что<br />
достигаемое на применяемой колонке при начальной температуре<br />
30 0 C эффективное число пиков для эфиров кислот C 8 -C 24 составляет<br />
2-6 при вводе проб в метаноле и 20-43 при использовании<br />
для этой цели хлороформа.<br />
При повышении начальной температуры колонки до 65°С<br />
эти различия между метанолом и хлороформом исчезают, и ввод<br />
пробы в том и в другом растворителе обеспечивает примерно<br />
одинаковую разделяющую способность колонки, составляющую,<br />
например, для эфиров кислот C 22 и C 24 ЭЧП 25-28.<br />
Сходные искажения при прямом вводе проб разбавленных<br />
растворов наблюдали и в работах [124-127]. В последней работе<br />
266<br />
E 24 E 22 E 20 E 18 E 16 E 14 E 12 E 10 E 8 E 1<br />
J_JUJL_ULJL1<br />
E 24 E 22 E 20 E 18 E 16 E 14 E 12 E 10 E 8<br />
U^<br />
Рис. 69. Искажение пиков при вводе проб без деления потока. Влияние<br />
полярности растворителя на "эффект затопления" наблюдающийся на<br />
колонке с неполярной неподвижной фазой. Хроматограммы метиловых<br />
эфиров жирных кислот (по 5 нг), растворенных в хлороформе (я) и<br />
в метаноле (б). Пробы объемом 2 мл вводили в капиллярную колонку<br />
диаметром 0,32 мм с иммобилизованной полисилоксановой неподвижной<br />
фазой OV-I (толщина пленки 0,15 мкм). Программирование температуры<br />
с быстрым нагревом от 30 до 80 0 C и далее от 80 до 300 0 C<br />
со скоростью 8 град./мин. Газ-носитель водород, скорость 650 см/сек.<br />
Подстрочный индекс при E означает число атомов углерода в молекуле<br />
жирной кислоты [Saravalle CA., Munari F., Trestiani S., J. Chromatogr.<br />
1983. Vol. 279. PP. 241-250]<br />
отмечено, что введение рационально выбранного "замедлителя<br />
удерживания" позволяет сократить длительность начальной зоны<br />
во времени от нескольких минут до нескольких секунд.<br />
Указывают также, что при использовании "замедлителей<br />
удерживания" достаточно большой длины целесообразно применять<br />
повышенные скорости нагрева колонки сразу после ввода<br />
пробы [128].<br />
При хроматографическом анализе эфирных масел применение<br />
"замедлителя удерживания" длиной 1 м и диаметром 0,3 мм позволило<br />
полностью устранить искажения пиков, возникавшие при вводе<br />
проб в виде разбавленных метанольных растворов [129]. Авторы<br />
этой работы связывают наблюдавшееся ими снижение эффективности<br />
колонки с повреждением слоя неподвижной фазы в начальном<br />
участке стеклянной капиллярной колонки при выпрямлении<br />
ее концов в процессе ее установки в хроматограф. В этой работе<br />
капилляр "замедлителя" присоединяли к основной капиллярной<br />
колонке с помощью короткой полиимидной трубки, приклеенной<br />
полиимидным же клеем PI-2550 фирмы Дюпон (США) [130].<br />
267
В работе [129] также были сопоставлены значения эффективности,<br />
достигаемые с помощью капиллярных колонок с полисилоксанами<br />
и с полиэтиленгликолем (суперокс 20MCL) при вводе<br />
проб эфирного масла величиной около 0,1 мкл с делителем потока,<br />
непосредственно в колонку в чистом виде и в растворе в метаноле<br />
или в гексане. По данным этой работы достигаемое число<br />
разделения для пары метиловых эфиров алифатических кислот<br />
С,, и C] 2 составляло 19,5-23 при вводе пробы объемом<br />
0,1 мкл, 16 при объеме пробы 3 мкл и 11,5-13 при объеме пробы<br />
5 мкл. Все пробы вводились при 2O 0 C. При этом значимо не различались<br />
результаты, полученные при вводе пробы в течение<br />
2-15 сек и за время менее 1 сек. При температуре колонки 65°С<br />
были получены числа разделения 21, 18,5 и 15, соответственно.<br />
При вводе пробы в ту же колонку с делителем потока (1 : 50) было<br />
получено число разделения 19,5. Таким образом, в этом случае<br />
ввод проб довольно значительного объема не уменьшил наблюдаемую<br />
эффективность колонки.<br />
Весьма рациональную конструкцию устройства для ввода<br />
проб как с делением потока, так и непосредственно в капиллярную<br />
колонку описали Шомбург и сотр. [131, 132]. В этих работах<br />
в представленных хроматограммах каменноугольной смолы,<br />
пробы которой вводили в виде сильно разбавленного раствора,<br />
зарегистрированы пики полициклических ароматических углеводородов<br />
до коронена включительно, причем было достигнуто хорошее<br />
разрешение экологически очень важного триплета<br />
бенз[а]пирена, бенз[е]пирена и перилена (рис. 70).<br />
Этот пример убедительно показывает действенность приема<br />
непосредственного ввода проб в капиллярную колонку в форме<br />
разбавленных растворов.<br />
Ввод проб большого объема важен не только при анализе<br />
разбавленных растворов, но и при осуществлении с помощью капиллярной<br />
хроматографии микропрепаративного разделения веществ.<br />
Например, описаны устройства, позволяющие вводить<br />
пробы объемом до 50 мкл в изотермическом режиме или с программированием<br />
температуры испарителя. Таким путем проводили<br />
разделение смесей различных производных дифенила на колонке<br />
с углеводородом С 87 Н, 76 в качестве неподвижной фазы<br />
[133]. Для такой же цели использовали устройство, позволяющее<br />
вводить пробы объемом до 250 мкл при микропрепаративном<br />
разделении органических веществ различных классов [134, 135].<br />
Техника ввода проб в виде разбавленных растворов в холодную<br />
колонку находит достаточно широкое применение в практике<br />
аналитических работ с разнообразными объектами. Такой<br />
способ ввода пробы использовали при анализе рапсового масла<br />
268<br />
[136], при анализе состава смеси триглицеридов различных жиров<br />
разной степени ненасыщенности, содержащих в молекуле от<br />
22 до 60 атомов углерода [137]. Эти анализы выполнялись на стеклянной<br />
капиллярной колонке длиной от 5 до 15 м и диаметром<br />
0,3 мм в условиях программирования температуры колонки от<br />
200-240 до 320-360 0 C.<br />
Интересным примером использования капиллярной хроматографии<br />
с вводом больших проб являются работы Коркилла и Гизе<br />
[138, 139] по анализу смесей летучих перфторбутиратов бромо-<br />
и иодотиронинов. В этих работах пробы вводили в стеклянный<br />
капилляр длиной от 11 до 15,5 см, присоединенный к кварцевой<br />
капиллярной колонке размером 15 м х 0,25 мм с полисилоксановой<br />
неподвижной фазой. После ввода пробы в колонку, нагретую<br />
до 200 0 C, ее температуру повышали до 275°С со скоростью<br />
43 град/мин, после чего проводили разделение смеси производных<br />
иодтиронинов в условиях программирования температуры<br />
колонки от 270-275 до 320 0 C.<br />
В работах [140, 141] использовали пробы разбавленных пентановых<br />
экстрактов при определении содержания галогеноуглеводородов<br />
в морской воде с целью контроля состояния водной среды в<br />
Атлантическом и Северном Ледовитом океанах. Пробы воды объемом<br />
100 мл экстрагировали 1 мл пентана и до 250 мл полученных<br />
экстрактов вводили в холодный испаритель с последующим быстрым<br />
нагревом. Авторы этих исследований отмечают надежность<br />
функционирования капиллярной колонки, приготовленной согласно<br />
рекомендациям работы [142]. Для присоединения капиллярной<br />
колонки большого диаметра к испарителю применяли стеклянную<br />
трубку диаметром 0,8 мм, входящую в термостат хроматографа на<br />
8-10 см. Такая система устойчиво работала без делителя потока,<br />
хотя авторы отмечают некоторое уменьшение относительного содержания<br />
высококипящих компонентов.<br />
Имеется ряд примеров применения автоматизированных систем,<br />
в которых автоматически регулируется скорость подачи<br />
пробы из дозатора в колонку [143, 144] или вообще весь цикл<br />
ввода пробы [145].<br />
Удобным дозирующим устройством для капиллярной хроматографии<br />
оказался кран для ввода проб в современные жидкостные<br />
хроматографические колонки высокого разрешения с дозирующей<br />
трубкой объемом 20 мкл [146].<br />
В общем при вводе содержащих микропримеси очень разбавленных<br />
проб, особенно газообразных, очень трудно избежать<br />
значительного расширения начальной хроматографической зоны<br />
и, как следствие, существенного снижения эффективности<br />
колонки, особенно для веществ с малым временем удерживания.<br />
269
Рис. 70. Устройство для холодного ввода проб в капиллярные колонки<br />
с последующим программированием температуры и вводом проб с делением<br />
потока, без деления потока и непосредственно в колонку<br />
/ - вход газа-носителя; 2 - выход газа-носителя при вводе проб с делением<br />
потока; 3 - поток газа для очистки мембраны; 4 - стеклянный вкладыш;<br />
5 - термометр сопротивления; 6 - нагревательная спираль; 7 - капиллярная колонка;<br />
8 - воздушное охлаждение<br />
Существенным продвижением в этой области явилась разработка<br />
дозирующих систем, отличающихся тем, что в момент ввода<br />
пробы начальный участок капиллярной колонки длиной<br />
5-10 мм подвергается резкому охлаждению, например, углекислотой<br />
или жидким азотом. Этот охлажденный участок служит<br />
миниатюрной ловушкой, обеспечивающей сбор и концентрирование<br />
малых примесей, содержащихся в анализируемом образце.<br />
Последующее быстрое нагревание охлажденного участка до температуры<br />
колонки дает возможность получить высококачественные<br />
хроматограммы накопленных примесей [147-151]. Такой<br />
"криогенный ввод", конечно, может применяться лишь в том случае,<br />
когда температуры кипения и способность к сорбции определяемых<br />
примесей намного выше, чем у основного преобладающего<br />
компонента анализируемой смеси. Поэтому этот метод<br />
приобрел особое значение при определении малых примесей в<br />
воздухе, например, при оценке уровня загрязнения воздушной<br />
среды [152], при анализе запахов [153], определении биологически<br />
активных веществ, например феромонов, аттрактантов и репеллентов<br />
насекомых [154, 155] и т.п. Типичный дозатор, позволяющий<br />
осуществлять "криогенный ввод", изображен на рис. 71,<br />
270<br />
Рис. 71. Устройство для криогенного ввода проб<br />
/ - колонка; 2 - нагреватели; 3 - форколонка; 4 - мембрана для ввода пробы;<br />
5 - подача газа-носителя; 6 - воздушное охлаждение; 7 - радиатор;<br />
8 - подача углекислого газа для охлаждения<br />
а на рис. 72 приведен пример хроматограммы, полученной с применением<br />
такого охлаждения начального участка колонки [156].<br />
В работе [157] подробно рассмотрены преимущества использования<br />
системы охлаждения входного участка колонки при безмембранном<br />
и безиспарительном вводе проб непосредственно в<br />
капиллярную колонку. Для этой цели разработан ряд полностью<br />
автоматизированных устройств. Например, описанная в работе<br />
[158] автоматическая криогенная система ввода проб, выполненная<br />
целиком из кварца, обеспечивает двухступенчатое концентрирование<br />
целевых компонентов вводимых проб и быстрый нагрев<br />
охлаждаемой зоны по окончании накопления анализируемых<br />
компонентов. В литературе имеется большое число описаний<br />
сходных систем.<br />
Оригинальный дозатор для непосредственного ввода в капиллярную<br />
колонку парообразной или газообразной пробы предложен<br />
Пальмером [159]. Схема этого дозирующего устройства изображена<br />
на рис. 73.<br />
С помощью электромагнитного привода 5 конец капиллярной<br />
колонки 1 может перемещаться поступательно. В нижнем положении<br />
3, показанном на рис. 73 пунктиром, в течение 4-6 мсек он находится<br />
в объеме, заполненном анализируемой газообразной смесью,<br />
поступающей по трубке снизу и удаляющейся через кольцевую<br />
щель и соответствующие коммуникации. По верхней трубке<br />
подается чистый газ-носитель, который препятствует проникнове-<br />
271
4 О<br />
Время, мин<br />
Рис. 72. Хроматограмма летучих органических соединений мочи на капиллярной<br />
колонке с неподвижной фазой БС-2<br />
/ - ацетон; 3 - этанол; 6 - 2-пентанол; 7 - н-пропанол; 10 - диметил-дисульфид;<br />
13 - 4-гептанон; 14 - н-бутанол; 15 - 2-гептанон; 29 - пиррол; 45 - карвон<br />
нию анализируемого газа в колонку при верхнем положении ее<br />
конца. Газ-носитель частично направляется в колонку, частично<br />
истекает через кольцевой зазор между корпусом дозатора и капиллярной<br />
колонкой, и часть его уходит вместе с пробой в атмосферу.<br />
Таким образом обеспечивается непосредственный ввод в капиллярную<br />
колонку проб величиной 0,4-0,5 мкг без разбавления их га-<br />
272<br />
Рис. 73. Автоматический дозатор<br />
проб для капиллярных колонок<br />
/ - колонка; 2 - камера смешения;<br />
3 - положение колонки в момент ввода<br />
пробы; 4 - положение колонки во<br />
время анализа; J - электромагнитный<br />
привод<br />
зом-носителем. Описанное устройство<br />
было предназначено<br />
для экспресс-анализа газообразных<br />
углеводородных смесей на<br />
короткой капиллярной колонке<br />
с визуальным представлением<br />
Продувка<br />
В колонку<br />
Проба<br />
2 Вход газа -<br />
носителя<br />
Продувка<br />
хроматограммы на экране осциллографа (см. ниже). При этом<br />
электрический импульс, обеспечивающий ввод пробы, может быть<br />
согласован с началом развертки осциллографа.<br />
Вместе с такими быстродействующими хроматографическими<br />
системами могут, конечно, работать и более простые<br />
крановые или клапанные, системы (например, см. [160]). Они<br />
могут быть изготовлены из коррозионно-устойчивых материалов,<br />
что приобретает особое значение при анализе высокоагрессивных<br />
газов. Так, клапанная система, выполненная из полиэтиленовых<br />
трубок диаметром 0,4 мм, пережимаемых миниатюрными<br />
винтами, применялась при капиллярной хроматографии<br />
смеси фтористого водорода, хлора и трифторида<br />
хлора [161]. Следует учитывать, что при переходе к прямому<br />
вводу пробы расход газа-носителя падает до величины, определяемой<br />
скоростью истечения его через капиллярную колонку,<br />
т.е. до 0,5-1,0 мл/мин. При этом влияние собственного<br />
объема дозатора-испарителя и коммуникаций становится<br />
весьма важным, и во избежание резкого снижения эффективности<br />
разделения необходимо, чтобы величина этого объема<br />
не превосходила нескольких десятых долей миллилитра. Это<br />
означает, например, что трубка дозатора, в которой испаряется<br />
проба, должна иметь диаметр не более 1-1,5 мм и длину<br />
1-2 см.<br />
Вопросы ввода проб в капиллярные колонки, как непосредственно,<br />
так и с делителями потока, обеспечивающими малую ширину<br />
начальной зоны, настолько важны для обеспечения высокой<br />
эффективности разделения изучаемых соединений при возможно<br />
более низких предельно определяемых концентрациях,<br />
что его подробному рассмотрению посвящен ряд специальных<br />
обзоров и книг [162-166].<br />
273
В настоящее время в подавляющем большинстве случаев<br />
для дозировки жидких проб в капиллярные колонки используются<br />
системы с делением газового потока. Пробы объемом<br />
0,1-1 мкл и более вводят с помощью микрошприцев различного<br />
типа. В наиболее удобных конструкциях таких шприцев в<br />
качестве цилиндра шприца используется его игла, внутри которой<br />
перемещается вольфрамовая проволока, выполняющая<br />
роль поршня (рис. 74а). Применяются также шприцы с микрометрическим<br />
винтом, позволяющим перемещать поршень диаметром<br />
2-3 мм на 0,1-0,2 мм (рис. 746). В последнее время разработаны<br />
системы автоматического ввода проб, предварительно<br />
заключаемых в запаянные ампулы из индия или из<br />
алюминия или помещенных в стеклянные сосуды, находящиеся<br />
в особых подающих приспособлениях. Однако подробное<br />
рассмотрение этих вспомогательных устройств выходит за<br />
рамки настоящей книги.<br />
7.3. ДЕТЕКТИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА.<br />
КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ<br />
В КАПИЛЛЯРНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ<br />
Рассмотренные выше особенности процесса капиллярной<br />
хроматографии предъявляют весьма жесткие требования к детектирующим<br />
системам хроматографов. Чувствительность детектора<br />
должна обеспечивать возможность регистрации по крайней<br />
мере 10" 12 -10"' 4 г вещества. Если учесть, что среднее время, в течение<br />
которого элюируется пик, составляет 100 сек, то абсолютная<br />
чувствительность потокового детектора должна быть не менее<br />
10" |4 -10~' 6 г/сек. Крайне незначительная величина расхода газа<br />
в капиллярных колонках (обычно 0,2-0,5 мл/мин и менее) требует,<br />
чтобы собственный объем детектора не превышал более<br />
чем в 3-5 раз количество газа, выходящее из колонки за секунду<br />
(10-20 мкл). Кроме того, необходимо, чтобы физические и химические<br />
процессы, идущие в детекторе в момент поступления в него<br />
регистрируемого компонента, завершались бы достаточно быстро,<br />
т.к. только при этом условии возможно обеспечить малую<br />
величину постоянной времени детектора. Вспомогательные<br />
электронные устройства также должны обладать достаточным<br />
быстродействием для того, чтобы регистрировать сигналы, скорость<br />
изменения которых достигает десятков и сотен вольт в секунду.<br />
Далеко не все детекторы, известные в газовой хромато-<br />
274<br />
Рис. 74. Микрошприцы для ввода проб в хроматограф<br />
а - микрошприц с микрометрическим винтом: / - дозирующий объем;<br />
2 - поршень; 3 - микрометрический винт; б - микрошприц фирмы "Гамильтон":<br />
/ - игла шрица, являющаяся дозирующей емкостью; 2 - вольфрамовая проволока,<br />
выполняющая функцию поршня; 3 - уплотнение; 4 - направляющие трубки;<br />
5 - стеклянная трубка с делениями; 6 - рукоятка; 7 - ограничитель хода<br />
поршня<br />
графии, удовлетворяют столь жестким требованиям. Ниже будут<br />
коротко изложены основные черты конструкции и особенности<br />
работы тех из них, которые применяются в капиллярной хроматографии<br />
в настоящее время или имеют перспективу применения<br />
в будущем.<br />
Следует иметь в виду, что обсуждаться здесь будут лишь те<br />
свойства детекторов, которые важны для капиллярной хроматографии.<br />
Более общее обсуждение принципов действия, конструкций,<br />
характеристик детекторов и особенностей проведения<br />
с их помощью количественного анализа можно найти в руководствах<br />
и пособиях, специально посвященных этим вопросам<br />
[168-171].<br />
В наибольшей степени удовлетворяет всем требованиям капиллярной<br />
хроматографии пламенно-ионизационный детектор<br />
[172]. Изобретение его совпало по времени с открытием капиллярной<br />
хроматографии - первые сообщения об этих исключительно<br />
важных достижениях появились в 1958 г. Начиная с этого<br />
времени, свойства и характеристики пламенно-ионизационного<br />
детектора интенсивно изучались, и в настоящее время данные о<br />
нем суммированы во многих статьях, обзорах и пособиях<br />
[168-174]. Чувствительность пламенно-ионизационного детекто-<br />
275
U<br />
п<br />
Газ из колонки<br />
Рис. 75. Надежная конструкция<br />
пламенно-ионизационного детектора,<br />
применявшегося в лаборатории<br />
автора<br />
/ - корпус детектора; 2 - кварцевая<br />
горелка; 3 - уплотнение из прессованного<br />
асбеста или графита; 4 - гайка;<br />
5 - металлический экран; 6 - спираль<br />
поджига; 7 - коллекторный электрод<br />
из проволочной сетки; 8 - крышка;<br />
9 - электроразъем кабеля, соединяющего<br />
детектор с электрометрическим<br />
усилителем; 10 - изоляторы;<br />
// - поляризующий электрод, при поджигании<br />
пламени выполняющий функцию<br />
вывода спирали поджига; 12 - второй<br />
вывод спирали поджига<br />
ра составляет 10" |4 -10" 15 г/сек. Газовый объем детектора включает<br />
объем самого пламени (3-5 мкл) и объем подводящей коммуникации,<br />
который в хорошо выполненном детекторе не превышает<br />
10-15 мкл.<br />
Процессы ионизации в пламени протекают столь быстро, что<br />
постоянная времени детектора, определяемая этими процессами,<br />
не превышает нескольких миллисекунд. Таким образом, по чувствительности,<br />
величине собственного объема и быстродействию<br />
пламенно-ионизационный детектор в полной мере удовлетворяет<br />
требованиям капиллярной хроматографии. Конструкция<br />
детектора весьма проста, и это определяет его невысокую стоимость.<br />
Один из вариантов конструктивного оформления детектора<br />
показан на рис. 75. Линейность характеристики пламенно-ионизационного<br />
детектора очень высока, а диапазон концентраций,<br />
в котором сохраняется прямая пропорциональность между количеством<br />
вещества и током детектора, достигает пяти-шести порядков<br />
величины.<br />
При анализе углеводородов или соединений, содержащих одно<br />
и то же число функциональных групп, но различающихся величиной<br />
и строением углеродного скелета, сигнал пламенно-ионизационного<br />
детектора, в общем, пропорционален процентному<br />
276<br />
содержанию в них неокисленного углерода. Поэтому поправочный<br />
коэффициент для расчета массовых концентраций компонентов<br />
по площади пиков равен<br />
K m = MI\2z, (7-2)<br />
где M - молекулярная масса вещества; z - число атомов углерода<br />
в нем.<br />
При сравнении чувствительности детектора к веществам<br />
разной химической природы дело осложняется тем, что атомы<br />
углерода, входящие в состав карбонильных, карбоксильных,<br />
карбамидных и некоторых других функциональных групп,<br />
не вносят вклад в общую чувствительность детектора к данному<br />
веществу. Атомы углерода, соединенные с гидроксильными<br />
и аминогруппами, увеличивают сигнал детектора примерно<br />
вдвое меньше, чем атомы углерода метиленовых групп.<br />
Поэтому при анализе функциональных производных углеводородов<br />
обычно прибегают к предварительной градуировке<br />
детектора. Этот вопрос не является специфическим для<br />
капиллярной хроматографии и подробнее рассматривается в<br />
более общих руководствах по газовой хроматографии<br />
[175-179].<br />
При использовании пламенно-ионизационного детектора<br />
для капиллярной хроматографии особое внимание уделяют<br />
обеспечению высокой скорости транспортировки элюируемых<br />
из колонки фракций к пламени детектора. Наиболее часто<br />
это достигается с помощью вспомогательного потока газа,<br />
как показано на рис. 50. Обычно для создания этого вспомогательного<br />
потока полностью или частично используют подаваемый<br />
в детектор водород.<br />
Довольно большое число работ по капиллярной хроматографии<br />
выполнено с применением аргонового ионизационного детектора<br />
[180-187]. По чувствительности этот детектор не уступает<br />
пламенно-ионизационному; он также обладает высоким быстродействием.<br />
Однако довольно большой объем камеры детектора<br />
(рис. 76), где происходит возбуждение атомов аргона в метастабильное<br />
состояние [170, 171, 180, 181], требует принятия специальных<br />
мер, обеспечивающих возможность работы с капиллярными<br />
колонками. Особые усилия необходимы для создания условий,<br />
при которых сигнал детектора был бы линейно связан с концентрацией<br />
вещества.<br />
Специально для капиллярной хроматографии был разработан<br />
микроаргоновый ионизационный детектор (рис. 166),<br />
в котором анодом служит коммуникация, подводящая газ<br />
277
а<br />
4<br />
t<br />
t<br />
Ж<br />
1 .<br />
Ш<br />
2<br />
^2 Рис. 76. Конструкции аргонового<br />
* ионизационного детектора, пригодные<br />
для работы с капиллярными<br />
^ колонками<br />
X а - двухэлектродный детектор;<br />
^s б - трехэлектродный детектор; / - радио-<br />
X; активный источник; 2 - коллекторный<br />
^i электрод; 3 - вспомогательный электрод;<br />
4 - изолятор; J - вход газа из капиллярной<br />
колонки<br />
из колонки [182]. Благодаря тому, что этот электрод имеет небольшие<br />
размеры и, кроме того, помещен в углублении изолятора,<br />
вблизи него напряженность электрического поля достигает<br />
очень больших значений, что ведет к возникновению<br />
пространственного заряда в небольшом объеме газа, непосредственно<br />
примыкающем к подводящей трубке. Ионизация<br />
детектируемых веществ происходит именно в этой области.<br />
Поэтому эффективный объем такого микроаргонового детектора<br />
очень мал, почти такой же, как у пламенно-ионизационного<br />
детектора. Для обеспечения достаточно интенсивного газообмена<br />
в камере детектора в нее подается вспомогательный<br />
поток аргона (50-100 мл/мин). Дополнительным усовершенствованием,<br />
позволяющим уменьшить уровень шумов и повысить<br />
чувствительность детектора, явилась установка третьего<br />
электрода, что позволяет измерять ток сигнала, обусловленный<br />
ионизацией элюируемых из колонки веществ, отдельно<br />
от фонового тока, подверженного значительным флуктуациям<br />
вследствие статистического характера радиоактивного<br />
распада.<br />
Важной особенностью аргонового ионизационного детектора<br />
является нелинейный характер зависимости сигнала от концентрации<br />
регистрируемого компонента. При больших концентрациях<br />
последнего сигнал увеличивается быстрее, поэтому эта<br />
зависимость близка к экспоненте. Для получения линейной характеристики<br />
последовательно с детектором включают сопротивление<br />
порядка 10'° Ом. Тогда увеличение тока в детекторе ведет к<br />
снижению напряжения на электродах за счет падения напряжения<br />
на упомянутом сопротивлении. Это приводит к тому, что характеристика<br />
детектора приближается к прямой линии. Влияние<br />
величины такого линеаризующего сопротивления иллюстрирует<br />
рис. 77.<br />
278<br />
В качестве источников радиоактивного излучения в аргоновых<br />
ионизационных детекторах используют обычно нестабильные<br />
изотопы: стронций-90, криптон-85, тритий, прометий-<br />
147 и др. [183, 184]. Радиоактивный стронций излучает Р-лучи и<br />
у-лучи с довольно высокой энергией. Поэтому детекторы со<br />
стронцием требуют соблюдения известной осторожности. Так,<br />
при активности источника 200 мкКюри во избежание серьезной<br />
опасности для здоровья нельзя находиться вблизи детектора,<br />
извлеченного из защитного свинцового экрана, более 4 часов<br />
в неделю.<br />
Детекторы с остальными перечисленными изотопами, являющимися<br />
чистыми (З-излучателями, практически не представляют<br />
какой-либо опасности для здоровья и не нуждаются в радиационной<br />
защите. Тритий обычно наносится на поверхность металлической<br />
фольги в виде пленки тритида титана или гидроксида<br />
кальция. Радиоактивный криптон находится в герметически<br />
закрытой камере, отделенной от внутренней полости детектора<br />
никелевой фольгой толщиной 25 мкм. Так, например, выполнен<br />
микродетектор, специально предназначенный для работы с капиллярными<br />
колонками (рис. 78). Активность источника в этом<br />
детекторе составляет 10 мкКюри, напряжение на электродах<br />
300-1200 В [185].<br />
Наличие радиоактивного источника в составе аргонового<br />
ионизационного детектора не является обязательным. Атомы<br />
аргона могут переводиться в возбужденное, метастабильное<br />
состояние под действием сильных электрических полей, высокочастотного<br />
электромагнитного поля или электронным ударом<br />
в тлеющем электрическом разряде. Последний принцип<br />
использован в аргоновом ионизационном детекторе, предложенном<br />
Ямана [186]. Между вольфрамовыми электродами,<br />
расположенными на расстоянии 0,1-0,3 мм друг от друга, тлеющий<br />
разряд возникает при давлении газа в несколько атмосфер<br />
и при напряжении 600-1000 В, если один из этих электродов<br />
представляет собой острие диаметром в несколько микрометров<br />
(рис. 79). Такое острие получают путем травления в кислотах<br />
вольфрамовой проволоки диаметром 0,3-0,5 мм. Второй<br />
электрод выполнен из вольфрамовой проволоки диаметром<br />
1 мм. Через полость с этими электродами пропускают<br />
вспомогательный поток аргона (30-50 мл/мин). Газ из капиллярной<br />
колонки подают непосредственно в ионизационную камеру<br />
детектора.<br />
Конструкция аналогичного детектора, удобная для использования<br />
в хроматографической аппаратуре, выполненной из металла,<br />
приведена на рис. 80.<br />
279
Рис. 77. Зависимость величины<br />
сигнала аргонового детектора от<br />
величины пробы при разной величине<br />
линеаризующего сопротивления<br />
(Ом)<br />
/ - 0,0; 2 - 3 • 10 9 ; 3 - 5 • 10 9 ;<br />
4 -10 ю<br />
Рис. 79. Аргоновый детектор без<br />
радиоактивного изотопа<br />
/ - вход газа-носителя; 2 - вход<br />
вспомогательного потока аргона;<br />
3 - электроды вспомогательного разряда;<br />
4 - катод; 5 - анод (никелевая<br />
трубка диаметром 1 мм)<br />
^ : ^<br />
Как и в оригинальной модели<br />
первого аргонового детектора<br />
Лавлока [180], в качестве<br />
изоляторов здесь использованы<br />
свечи зажигания для двигателя<br />
внутреннего сгорания<br />
СЧНЙ:<br />
[187].<br />
Перманентные газы - азот, кислород, водород, моноксид и<br />
диоксид углерода - имеют потенциалы ионизации, превышающие<br />
энергию возбуждения метастабильного уровня аргона<br />
(11,7 эВ) и поэтому обычно аргоновым детектором не регистрируются.<br />
Однако аргоновый ионизационный<br />
детектор, в котором электроды<br />
расположены очень близко<br />
друг к другу (на расстоянии 1-2 мм), а<br />
напряжение на них составляет 3-5 В,<br />
проявляет довольно высокую чувствительность<br />
к перманентным газам и<br />
соединениям типа моноксида и диоксида<br />
углерода, которые обычно аналогичными<br />
детекторами не регистрируются<br />
[188]. Механизм этого явления<br />
неясен. Можно связывать его с<br />
тем, что молекулы этих газов дезак-<br />
Рис. 78. Аргоновый микродетектор с радиоактивным<br />
криптоном для капиллярной<br />
хроматографии<br />
/ - изолирующая втулка; 2 - фиксирующее<br />
кольцо; 3 - изоляторы; 4 - уплотнение; 5 - корпус<br />
детектора; 6 - подвод вспомогательного потока<br />
аргона; 7 - ускоряющий электрод; 8 - полость,<br />
заполненная криптоном-85 и закрытая<br />
никелевой фольгой толщиной 25 мкм; 9 - коллекторный<br />
электрод; IO - основание детектора;<br />
/ / - капиллярная колонка<br />
280<br />
тивируют метастабильные<br />
атомы аргона при неупругих<br />
столкновениях. Тем не менее,<br />
Вход Выход газа<br />
такая модификация детектора<br />
может применяться для детектирования<br />
как органических<br />
40 мм<br />
компонентов, так и перманентных<br />
газов, например, при хроматографии на адсорбционных<br />
капиллярных колонках. Если к аргону добавить 0,1-0,2%<br />
органического вещества - метана, этана, пропана, то упомянутое<br />
выше явление дезактивации возбужденных атомов аргона<br />
молекулами неорганических<br />
газов будет вызывать резкое<br />
уменьшение ионизационного<br />
тока, что можно использовать<br />
для высокочувствительного<br />
их детектирования (рис. 81)<br />
[189].<br />
Наконец, для детектирования<br />
неорганических газов с высокой<br />
чувствительностью можно<br />
заменить аргон в ионизационном<br />
детекторе гелием. Наиболее<br />
высокий среди всех других<br />
веществ потенциал ионизации<br />
гелия (22,4 эВ) позволяет в<br />
281<br />
Рис. 80. Металлическая конструкция<br />
аргонового ионизационного<br />
детектора без радиоактивного<br />
изотопа<br />
/ - свеча вспомогательного разряда;<br />
2 - подвод вспомогательного потока<br />
аргона; 3 - корпус; 4 - свеча коллекторного<br />
электрода
этом случае детектировать и органические и неорганические<br />
компоненты смесей примерно с одинаковой чувствительностью.<br />
Однако исключительно высокие требования к чистоте гелия в<br />
этом случае ограничивают применение такого детектора [190,<br />
191].<br />
Сигнал описанных ионизационных детекторов сложным образом<br />
зависит от состава и строения детектируемых соединений.<br />
Мольный отклик детектора для членов одного гомологического<br />
ряда увеличивается примерно пропорционально их молекулярной<br />
массе, так что при увеличении молекулярной массы выше<br />
80-100 а.е.м. массовый поправочный коэффициент остается примерно<br />
постоянным для всех компонентов. Характер разветвления<br />
углеродного скелета, наличие ненасыщенных и ароматических<br />
систем, природа и число гетероатомов влияют на величину<br />
сигналов детекторов перечисленных типов, причем это влияние<br />
не подчиняется достаточно простым закономерностям. Поэтому<br />
для получения точных количественных данных необходимо тщательно<br />
градуировать эти детекторы по каждому из компонентов,<br />
представляющих интерес.<br />
Среди универсальных неселективных детектирующих устройств,<br />
применяемых в капиллярной хроматографии, необходимо<br />
отметить также детекторы по теплопроводности - катарометры.<br />
Этот удобный и надежный тип детектирующих систем,<br />
широко распространенный в газовой хроматографии на наполненных<br />
колонках, является менее употребительным при использовании<br />
капиллярных колонок. Это объясняется тем, что имеющие<br />
относительно большой собственный объем обычные катарометры<br />
в капиллярной хроматографии могут использоваться<br />
лишь с колонками большого диаметра (1-1,5 мм), обладающими<br />
недостаточно высокой эффективностью. Крайне малая величина<br />
расхода газа в капиллярных колонках меньшего диаметра при использовании<br />
обычных катарометров приводит к резкому снижению<br />
эффективности и к нарушению симметрии пиков. В то же<br />
время чувствительность, внутренне присущая этим детекторам,<br />
далеко не столь низка, как принято считать, и во многих случаях<br />
обеспечивает получение достаточно высоких результатов даже<br />
при работе с колонками диаметром 0,25 мм.<br />
Детектор по теплопроводности, имеющий весьма малый объем<br />
камер, применялся уже в первых работах Голея [192] и Дийкстры<br />
и де Гоэя [193]. Микродетекторы такого типа с объемом<br />
ячейки 15-20 мкл применяли Кондон [194] и Парселл [195]. Конструкция<br />
детектора с нагретой проволокой (рис. 82), имеющего<br />
очень малый собственный объем, описана в работе Норикова<br />
[196]. Объем камеры этого детектора составляет всего 8 мкл.<br />
282<br />
Рис. 81. Коаксиальный аргоновый детектор<br />
/ - выход газа; 2 - крышка; 3 и 6 - изоляторы;<br />
4 - тритиевый радиоактивный источник размером<br />
28 х 10 мм и активностью 200 мкКюри;<br />
5 - катод (корпус детектора); 7 - анод; 8 - скрепляющие<br />
винты; 9 - вход газа-носителя из колонки<br />
Применимость детекторов, производимых<br />
различными приборостроительными<br />
фирмами и имеющих объем камер<br />
25-115 мкл, проверена для колонок диаметром<br />
0,5 и 0,25 мм [197, 198]. В первом<br />
случае чувствительным элементом служила<br />
нагретая вольфрамовая проволока,<br />
а во втором - миниатюрные термисторы.<br />
Известны конструкции миниатюрных детекторов<br />
по теплопроводности, в которых<br />
чувствительными элементами служили<br />
тончайшие волластоновы платино<br />
10 мм<br />
вые проволоки диаметром 0,5-1,0 мкм.<br />
Сопоставление возможностей пламенно-ионизационного<br />
детектора и катарометра<br />
при работе с капиллярными<br />
колонками проведено Редел ем [199].<br />
В работе применялась колонка со скваланом<br />
длиной 50 м и диаметром<br />
0,25 мм. Пробу смеси углеводородов<br />
объемом 1 мкл вводили в колонку с делением<br />
потока в соотношении 1 : 400.<br />
Объем камеры катарометра составлял<br />
всего 2,5 мкл. Примеры полученных<br />
хроматограмм убедительно подтверждают<br />
возможность успешного применения<br />
микрокатарометров в капиллярной<br />
хроматографии.<br />
Рис. 82. Миниатюрный детектор по теплопроводности<br />
/ - держатели нити накала; 2 - резьбовая<br />
втулка; 3 - корпус; 4 - канал ячейки детектора;<br />
J - пайка легкоплавким стеклом; 6 - фарфоровая<br />
трубка; 7 - фторопластовое уплотнение;<br />
8 - нить накала<br />
283
Тем не менее, в настоящее время катарометры применяются<br />
в сочетании с капиллярными колонками лишь в особых случаях,<br />
например, при анализе изотопов водорода [200, 201]. Наиболее<br />
благоприятные условия работы катарометров с гелием или водородом<br />
в качестве газов-носителей обеспечивают наибольшую<br />
возможную эффективность капиллярных колонок. Теоретическое<br />
рассмотрение работы детектора по теплопроводности и математическое<br />
моделирование протекающих в нем процессов показывает<br />
довольно широкие возможности его использования в<br />
капиллярной хроматографии [202]. Экспериментально показана<br />
возможность использования обычных коммерчески доступных<br />
детекторов по теплопроводности в сочетании с капиллярными<br />
колонками диаметром 0,3-0,5 мм и более [203]. Для снижения<br />
влияния собственного объема детектора к газу-носителю, покидающему<br />
колонку, добавляли вспомогательный газовый поток<br />
порядка 20-30 мл/мин. С другой стороны известны конструкции<br />
микрокатарометров с чувствительными элементами в виде тонких<br />
платиновых полосок, напыляемых в вакууме на кварцевые<br />
волокна. Таким путем удается создать детекторы по теплопроводности<br />
с собственным объемом порядка 10 мкл и с постоянной<br />
времени на уровне нескольких миллисекунд.<br />
Фирмой "Хьюлетт-Паккард" (США) был разработан устойчиво<br />
работающий детектор по теплопроводности с модуляцией<br />
газового потока [204]. Этот детектор представляет собой две сложенные<br />
вместе керамические шайбы диаметром около 15 мм.<br />
В одной из шайб была выполнена канавка сечением 1 х 1 мм и<br />
длиной 10 мм, в которой был размещен всего один чувствительный<br />
элемент в форме прямой платиновой проволочки диаметром<br />
10 мкм. С помощью системы особых малоинерционных клапанов<br />
через канал детектора пропускают поочередно с частотой 50 Гц<br />
газ, вытекающий из колонки, и чистый газ-носитель. На выходе<br />
электрической схемы детектора получают модулированный сигнал,<br />
который далее после демодуляции позволяет зарегистрировать<br />
изменения концентрации разделяемых веществ во времени.<br />
При этом оказывается возможным отфильтровать подавляющее<br />
количество помех и за счет этого существенно увеличить общую<br />
чувствительность детектирующей системы. Этот детектор вполне<br />
устойчиво работает с капиллярными колонками диаметром<br />
0,5-0,8 мм.<br />
Пока не нашел себе применение в капиллярной хроматографии<br />
детектор по плотности газов, предложенный Мартином в<br />
1953 г. [205], который, имея, к сожалению, значительный собственный<br />
объем и довольно ограниченную чувствительность, в то<br />
же время близок к идеальному детектору с точки зрения количе-<br />
284<br />
ственного анализа. Теория работы этого детектора, подробно исследованная<br />
в работах [206, 207] и др., в принципе не исключает<br />
возможности создания миниатюрных и быстродействующих вариантов<br />
его конструкции.<br />
Еще один тип детектирующей системы общего назначения,<br />
имеющий определенные перспективы применения в капиллярной<br />
хроматографии - это электрокондуктометрический детектор,<br />
предложенный впервые Пирингером и Паскалау [208-210].<br />
Принцип работы этого детектора показан на рис. 83. Выходящие<br />
из колонки продукты сжигаются до воды и двуокиси углерода в<br />
миниатюрной ячейке для сжигания - трубке диаметром 1 мм, заполненной<br />
оксидом меди и нагретой до 700 0 C. Выходящий из<br />
этой ячейки газ вступает в контакт с деионизированной водой,<br />
подаваемой в количестве 10-50 мл/ч. После разделения фаз в<br />
расширении датчика газ удаляется из системы. Вода, содержащая<br />
растворенный диоксид углерода, поступает в кондуктометрическую<br />
ячейку объемом 3-5 мкл, где измеряется ее удельное сопротивление,<br />
резко снижающееся при растворении CO 2 . Чувствительность<br />
детектора дает возможность работать с капиллярными<br />
колонками, а его сигнал строго пропорционален содержанию<br />
углерода в анализируемых веществах (при отсутствии других гетероатомов,<br />
кроме кислорода).<br />
При наличии в составе анализируемых веществ галогенов,<br />
аминогрупп, нитрогрупп, атомов серы и фосфора чувствительность<br />
детектора резко увеличивается и может достигать чувствительности,<br />
характерной для пламенно-ионизационного детектора<br />
[211]. В последней работе авторы отмечают, что при наличии<br />
в молекуле регистрируемого соединения атомов галогенов более<br />
предпочтителен восстановительный вариант этой детектирующей<br />
системы. При этом катализатором служит нихромовая проволока,<br />
а к газу-носителю добавляют хлористый винил в количестве<br />
примерно 20 млн- 1 для ускорения десорбции следов галогеноводородов<br />
(в частности, HCl) с поверхности катализатора. По<br />
существу, в этом случае детектор работает как высокоселективное<br />
устройство. Тем не менее, отсутствие источников радиации,<br />
открытого пламени, высокого напряжения, наличие только одного<br />
газа-носителя делают этот детектор одним из наиболее<br />
удобных и практичных, особенно для хроматографов, эксплуатирующихся<br />
в полевых условиях или на производстве.<br />
Для детектирования малых количеств соединений определенной<br />
химической природы, а также для идентификации пиков на<br />
хроматограмме применяют ряд детектирующих систем, избирательно<br />
реагирующих только на эти соединения. Такие детекторы<br />
называют селективными.<br />
285
Вода<br />
Рис. 83. Схема электрокондуктометрического<br />
детектирования<br />
/ - колонка с ионообменной<br />
смолой; 2 - реактор с оксидом меди;<br />
3 - микрокондуктометрическая<br />
ячейка; 4 - кондуктометр; J - самописец;<br />
6 - слив избытка воды;<br />
7 - фазоразделитель<br />
К этой группе принадлежит<br />
один из наиболее распространенных<br />
в газовой хроматографии<br />
детекторов - электронно-захватный<br />
(рис. 84).<br />
Принцип действия этого детектора<br />
заключается в том, что<br />
быстрые электроны, излучаемые<br />
радиоактивным источником<br />
ф-излучателем), ионизируют<br />
молекулы газа-носителя<br />
(обычно азота). При этом<br />
возникают медленные электроны, собираемые положительно<br />
заряженным катодом и обусловливающие наличие некоторого<br />
постоянного фонового тока через детектор. Вещества, обладающие<br />
большим сродством к электрону, т.е. способные энергично<br />
связывать электроны с образованием малоподвижных отрицательных<br />
ионов, вызывают резкое снижение электронного тока в<br />
детекторе, регистрируемое электрометром.<br />
Такими веществами являются соединения, содержащие<br />
атомы металлов, галогенов, атомы азота. Наличие легкополяризующихся<br />
сопряженных систем кратных связей также облегчает<br />
образование отрицательных ионов при захвате электронов.<br />
Этим объясняется высокая чувствительность электронно-захватного<br />
детектора к нитрилам, нитросоединениям, полициклическим<br />
ароматическим соединениям, сопряженным<br />
альдегидам и кетонам и т.п. В то же время вещества типа углеводородов,<br />
спиртов, обычных кетонов, эфиров кислот дают<br />
сигналы, на четыре-пять порядков величины меньшие. Это позволяет<br />
избирательно регистрировать пестициды и полициклические<br />
ароматические углеводороды при изучении загрязнений<br />
окружающей среды, металлоорганические соединения -<br />
антидетонаторы моторных топлив, содержащие галогены производные<br />
стероидов и фармацевтические препараты в медикобиологических<br />
исследованиях и т.п.<br />
286<br />
Рис. 84. Плоскопараллельная конструкция<br />
электронно-захватного детектора<br />
/ - анод; 2 - сетка; 3 - радиоактивный<br />
источник; 4 - катод; 5 - изолятор (фторопласт)<br />
Так как электронно-захватный<br />
детектор имеет большое значение<br />
см<br />
для решения столь важных аналитических<br />
задач, его свойства и сферы его применения интенсивно<br />
изучаются. Имеется много работ, подробно описывающих физические<br />
процессы в нем, характеристики его работы и их зависимость<br />
от условий эксперимента [170, 171, 175, 212-218]. В последней<br />
работе электронно-захватный детектор применяли в сочетании<br />
с широкими капиллярными колонками без деления потока<br />
для определения пестицидов. Детектор устойчиво работал<br />
даже после 500 анализов проб объемом более 5 мкл.<br />
Установлено, что чувствительность электронно-захватного<br />
детектора резко увеличивается с увеличением атомного номера и<br />
числа присутствующих в молекуле атомов галогена. Чувствительность<br />
к полигалогенированным соединениям типа пестицидов<br />
- альдрина, дильдрина, линдана, может достигать<br />
10~'"-10~' 3 г/сек, а при использовании новейших детекторов с импульсным<br />
питанием - даже Ю -14 —Ю -15 г/сек. Однако чувствительность<br />
этого детектора даже к близким по свойствам соединениям<br />
может различаться на несколько порядков величины, а его линейный<br />
диапазон весьма невелик и не превышает 200-500. Поэтому<br />
необходимо проводить предварительную градуировку детектора<br />
по определяемым веществам.<br />
Напряжение питания электронно-захватного детектора составляет<br />
5—15В для детектора с плоскими электродами и<br />
50-100 В для детектора с цилиндрическими электродами. В качестве<br />
радиоактивного источника в детекторах, работающих при<br />
температурах до 225°С, наиболее часто применяется тритий, а<br />
для работ при более высоких температурах - радиоактивный<br />
изотоп никель-63. Газом-носителем при использовании электронно-захватного<br />
детектора обычно служит высокочистый<br />
азот. Лишь при использовании наиболее совершенных и высокочувствительных<br />
схем с импульсным питанием и демодуляцией<br />
выходного сигнала оказывается необходимым применять аргон,<br />
содержащий до 10% метана [219]. В тех случаях, когда селективность<br />
электронно-захватного детектора имеет подчиненное значение<br />
и на первый план выходит высокая чувствительность это-<br />
287
го детектора, в качестве газа-носителя может применяться и чистый<br />
аргон, как, например, при газовой хроматографии смесей<br />
летучих хлоридов или гидридов различных элементов (не содержащих<br />
в своем составе веществ, в молекулах которых отсутствуют<br />
атомы галогенов или металлов, обусловливающие высокую<br />
чувствительность электронно-захватного детектора к этим соединениям).<br />
Собственный объем электронно-захватного детектора по ряду<br />
причин не может быть очень малым. Показано, что расстояние<br />
между радиоактивным источником и катодом детектора с<br />
импульсным питанием (импульсы длительностью 1 мс с амплитудой<br />
50 В) не должно быть меньше 10 мм, во избежание попадания<br />
на катод положительных ионов, искажающих сигналы детектора<br />
[220]. Поэтому применение капиллярных колонок с диаметром<br />
менее 0,5 мм с этим детектором возможно лишь при наличии<br />
вспомогательного газового потока, обеспечивающего достаточно<br />
быструю транспортировку элюируемых из колонки компонентов<br />
к детектору и интенсивный газообмен в нем.<br />
Первые работы, в которых электронно-захватный детектор<br />
был применен в сочетании с капиллярной колонкой, выполнили<br />
Лавлок и Грегори [221], а также Златкис [222]. Этот вид детектирования<br />
в дальнейшем стал одним из наиболее распространенных<br />
при работе с капиллярными колонками.<br />
Рядом исследователей было установлено, что чувствительность<br />
электронно-захватного детектора ко многим веществам<br />
может быть существенно увеличена, если в газе-носителе содержатся<br />
небольшие примеси кислорода или других окислителей типа<br />
закиси азота N 2 O. Так, Кэмпбелл и Гримсруд [223] применяли<br />
в качестве газа-носителя гелий, к которому перед поступлением<br />
в детектор добавляли азот, содержащий примерно 2% кислорода.<br />
На капиллярной колонке размером 15 м х 0,25 мм с полисилоксаном<br />
SE-52 в качестве неподвижной фазы проводили разделение<br />
1-, 2- и 9-изомеров хлорантрацена. При этом было установлено,<br />
что чувствительность электронно-захватного детектора увеличилась<br />
для всех изученных изомеров, однако для 1 -хлорантрацена<br />
в 4 раза, для 2-хлорантрацена - в 7 раз, а для 9-хлорантрацена<br />
- в 21 раз. Интересно, что увеличение чувствительности детектора<br />
по отношению к смеси названных изомерных хлорантраценов<br />
было аддитивным и пропорциональным мольным долям каждого<br />
изомера в смеси.<br />
Исследования [224, 225] показали, что примесь N 2 O в газе-носителе,<br />
составляющая всего 25-40 млн^1,<br />
приводит к значительному<br />
увеличению чувствительности электронно-захватного детектора,<br />
так что с его помощью становится возможным детектирование<br />
288<br />
моноксида углерода на уровне фоновых концентраций в атмосфере,<br />
составляющих 20-80 млрд" 1 . Закись азота вводили в газ-носитель<br />
(азот высокой чистоты) перед его поступлением в детектор.<br />
Источником закиси азота служила емкость из нержавеющей стали<br />
объемом 250 мл, заполненная N 2 O под давлением 4 кг/см 2 и снабженная<br />
полупроницаемой мембраной [225]. Расход закиси азота в<br />
этой системе не превышал 300 см 3 в год. При величине пробы воздуха<br />
2,2 мл предельно детектируемое количество СО составляло<br />
16 нг в пробе. Линейный отклик детектора при этом сохранялся в<br />
диапазоне от 16 нг до 2 млн"' (т.е. от 3,4 • 10" до 5,3 • 10' 3 молекул<br />
СО в пробе). О значительном увеличении чувствительности электронно-захватного<br />
детектора при добавлении в газ-носитель N 2 O<br />
сообщают также авторы работ [226-228]. В последней работе также<br />
указано, что добавка закиси азота к газу-носителю увеличивает<br />
чувствительность электронно-захватного детектора к воде в<br />
260 раз. Авторы этих работ отмечают, что разные изомеры органических<br />
соединений показывают разное увеличение чувствительности.<br />
Так, например, орто- и «яра-толуидины различаются по<br />
чувствительности в 3 раза, а бенз[д]пирен и бенз[е]пирен - в 21 раз.<br />
Имеются примеры совместного использования электронно-захватного<br />
и пламенно-ионизационного детекторов [229]. Параллельное<br />
присоединение этих двух детекторов на выходе одной капиллярной<br />
колонки увеличивает объем получаемой информации и<br />
существенно облегчает идентификацию пиков неизвестных соединений<br />
на хроматограмме.<br />
Наиболее новые конструкции электронно-захватного детектора,<br />
например миниатюрный детектор HP 6890 фирмы "Хьюлетт-Паккард"<br />
(США) [230], имеют очень высокую чувствительность,<br />
позволяющую регистрировать, например, менее 8 х 10"' 5 г<br />
линдана в пробе (рис. 85).<br />
Линейный диапазон этого детектора также достаточно широк<br />
и превышает 10 4 . При анализе объектов окружающей среды<br />
на содержание пестицидов или полихлорированных бифенилов<br />
такой детектор позволяет работать с пробами, содержащими менее<br />
50 х Ю- 15 г этих соединений.<br />
Наличие даже очень мягких радиоактивных источников в<br />
конструкции электронно-захватных детекторов вызывает определенные<br />
неудобства и ограничения в их использовании. Поэтому<br />
предпринимаются попытки создания электронно-захватных<br />
детекторов без радиоактивных изотопов, в которых достаточная<br />
концентрация свободных электронов с малой энергией осуществляется<br />
за счет ионизации молекул газа-носителя с помощью достаточно<br />
сильных электрических полей или за счет термической<br />
эмиссии электронов с нагретого до высокой температуры като-<br />
10. Руденко Б.А. Т. 1 289
Рис. 85. Миниатюрный электронно-захватный<br />
детектор (фирма<br />
Хьюлетт-Пакаард, США)<br />
/ - вход газа из колонки; 2 - полость<br />
детектора; 3 - радиоактивный источник;<br />
4 - коллекторный электрод;<br />
5 - выход газа<br />
да. В литературе имеется описание<br />
целого ряда таких конструкций,<br />
например в работах [231,<br />
232], однако до настоящего времени<br />
широкого распространения<br />
такие системы не получили.<br />
Описаны многочисленные<br />
способы получения производных<br />
определяемых соединений, обеспечивающих<br />
высокую чувствительность<br />
электронно-захватного<br />
детектора. Среди них можно<br />
отметить трифторацетаты [233,<br />
234], перфторпропионаты и перфторбутираты<br />
[235-237], пентафторбензоаты<br />
[238] и другие<br />
соединения. Одним из наиболее<br />
удобных реактивов для этой цели<br />
является пентафторфенилдиметилхлорсилан<br />
и другие аналогичные<br />
пентафторфенилдиалкилхлорсиланы<br />
[239].<br />
При всех достоинствах электронно-захватного детектора при<br />
работе с ним отмечаются и определенные трудности. Так, при<br />
очень малых концентрациях детектируемых веществ в пробах<br />
(менее 20 пг) наблюдались весьма значительные расхождения получаемых<br />
количественных результатов [240]. Тем не менее,<br />
электронно-захватный детектор остается одним из наиболее<br />
удобных, чувствительных и широко применяемых в газовой хроматографии<br />
детектирующих систем, в том числе и при работе с<br />
капиллярными колонками.<br />
Интересно, что избирательностью, сходной с электронно-захватным<br />
детектором, обладает также "обратный" пламенно-ионизационный<br />
детектор [242], в котором газ-носитель из колонки<br />
подается в пламя кислорода, горящего в среде чистого водорода.<br />
Такой детектор проявляет высокую чувствительность к металло-<br />
290<br />
органическим соединениям типа ферроцена, тетраэтилсвинца,<br />
тетраэтилолова и т.п. С большой чувствительностью регистрируются<br />
также соединения азота. Отклик этого детектора на вещества<br />
углеводородного характера оказывается на два-пять порядков<br />
величины меньше, что делает возможным его применение<br />
для избирательного детектирования перечисленных выше<br />
компонентов в сложных смесях [243-245].<br />
Для избирательного детектирования веществ, содержащих<br />
азот и фосфор, т.е. в первую очередь для обнаружения фосфорсодержащих<br />
пестицидов, следов фосфорсодержащих боевых<br />
отравляющих веществ или продуктов их уничтожения либо<br />
распада в окружающей среде приобрел достаточно широкое<br />
распространение еще один вариант пламенно-ионизационного<br />
детектора - термоионный детектор, часто именуемый также<br />
фосфорным или азотно-фосфорным детектором [246-249].<br />
Этот детектор представляет собой пламенно-ионизационный<br />
детектор, в пламя которого вводят пары щелочных металлов -<br />
натрия, калия, рубидия или цезия. Для этого кончик горелки<br />
детектора, непосредственно соприкасающийся с пламенем, выполняют<br />
из какой-либо соли щелочного металла [246, 247], либо<br />
из содержащей такую соль керамики [248]. В некоторых<br />
конструкциях вблизи пламени или просто в корпусе детектора<br />
располагают шарик из содержащего соли щелочных металлов<br />
(рубидия или цезия) стекла [249], иногда с отдельным миниатюрным<br />
электрическим нагревателем. При оптимальном режиме<br />
работы термоионный детектор обеспечивает возможность<br />
детектирования 10"'°-10~" г соединений, содержащих фосфор,<br />
причем чувствительность его к таким веществам в<br />
три-пять тысяч раз превышает чувствительность к углеводородам.<br />
Механизм детектирования в термоионном детекторе в<br />
полной мере не выяснен.<br />
Часто термоионный детектор комбинируют с обычным пламенно-ионизационным<br />
детектором, что создает возможность одновременной<br />
регистрации сигналов обоих этих детекторов. При<br />
определенных режимах работы термоионный детектор может<br />
проявлять высокую селективность и чувствительность к веществам,<br />
содержащим атомы азота и галогенов. Линейный диапазон<br />
этого детектора достигает 10 4 . Как и пламенно-ионизационный<br />
детектор, термоионный детектор вполне пригоден для работы с<br />
капиллярными колонками. Чувствительность этого детектора в<br />
общем пропорциональна содержанию азота или фосфора в определяемых<br />
веществах, однако в зависимости от особенностей их<br />
молекулярного строения может различаться более чем на один<br />
порядок величины. Кроме того, термоионному детектору прису-<br />
10* 291
Рис. 86. Термоаэрозольный азотно-фосфорный детектор<br />
/ - крышка; 2, 6 и 19 - изоляторы; 3 - коллекторный электрод; 4 - спираль<br />
поджига; 5 - вывод поляризующего электрода; 7 и 21 - нагреватели;<br />
8 - корпус детектора; 9 - поляризующий электрод; 10 - горелка; // - основание<br />
детектора; 12 - хроматографическая колонка; 13 и 18 - уплотнения;<br />
14 - вход водорода; 15 - подача воздуха; 16 - поток азота через генератор<br />
аэрозоля; 17 - подача охлаждающей воды; 20 - водяная рубашка; 22 - лодочка<br />
с бромидом цезия; 23 - электрический вывод к электрометрическому усилителю;<br />
24 - выход газов<br />
ща трудноконтролируемая неустойчивость в работе, связанная с<br />
довольно частой потерей активности источника ионов щелочного<br />
металла [250-256] (рис. 86).<br />
С целью устранить эту неприятную особенность ранних<br />
конструкций термоионного детектора было предложено подавать<br />
в пламя детектора соль щелочного металла (бромида цезия)<br />
с необходимым для горения потоком воздуха в виде аэрозоля,<br />
поступающего из специального генератора [257-259]<br />
(рис. 86).<br />
Генератор представляет собой нагретую до 400 0 C трубку, в<br />
которой располагается лодочка с кристаллами бромида цезия.<br />
292<br />
Через трубку пропускают поток воздуха, уносящий испаряющуюся<br />
соль. Непосредственно после нагретой трубки с бромидом<br />
цезия помещался охлаждаемый водой холодильник, где и происходит<br />
формирование аэрозоля. При выключении нагрева генератора<br />
это устройство превращается в обычный пламенно-ионизационный<br />
детектор (рис. 86).<br />
Такой термоионный детектор работает очень устойчиво.<br />
В лаборатории автора такой детектор интенсивно эксплуатировался<br />
в течение трех лет при разработке метода определения<br />
противосудорожных средств в плазме крови детей, страдающих<br />
эпилепсией [260-262] (рис. 87).<br />
Интересные способы модификации пламенно-ионизационного<br />
детектора с целью превращения его в термоионный детектор<br />
предложены в работе [263] и в последнее время в работе<br />
[264]. В последней работе соль щелочного металла подают в<br />
виде слабого водного раствора в пламя обычного пламенноионизационного<br />
детектора через кварцевый капилляр диаметром<br />
50 мкм под действием шприцевого насоса для жидкостной<br />
хроматографии высокого разрешения [применяли насос "Baриан<br />
8500" фирмы "Вариан" (США)]. Скорость подачи раствора,<br />
равную 3 мкл/мин, достигали с помощью присоединенного<br />
к насосу делителя потока, состоящего из двух отрезков кварцевого<br />
капилляра диаметром 50 мкм. Один из этих отрезков<br />
длиной 10 м был присоединен к детектору, а второй отрезок<br />
длиной 1,5 м обеспечивал нужное соотношение потоков в делителе<br />
и необходимую скорость подачи раствора. В корпус детектора<br />
раствор соли с концентрацией 150 мг/л поступал через<br />
тонкий металлический капилляр диаметром 0,45 мм, закрепленный<br />
в металлическом кольце высотой 3 мм с внутренним<br />
диаметром 8,1 мм так, что конец капилляра находился вблизи<br />
центра кольца (рис. 88). Само это кольцо было установлено<br />
коаксиально над горелкой детектора на высоте примерно 5 мм<br />
от края ее выходного отверстия. Положение кончика капилляра<br />
можно было изменять по горизонтали и по вертикали, чтобы<br />
найти его оптимальное положение. При сопоставлении солей<br />
различных щелочных металлов было найдено, что лучшие<br />
результаты получаются при использовании бромида цезия; несколько<br />
хуже работает хлорид цезия и существенно хуже - соли<br />
лития, калия и натрия. Этот детектор успешно работал в сочетании<br />
с колонкой HP-I (неподвижная фаза - полидиметилсилоксан)<br />
длиной 25 м и диаметром 0,32 мм при температурах<br />
до 220 0 C. При отключении подачи раствора соли этот детектор<br />
мог работать как обычный пламенно-ионизационный детектор.<br />
293
a<br />
1<br />
230 °C o<br />
4 230 C<br />
205 С<br />
2<br />
Ii<br />
—I 1 1 1 1 1 — —i 1 1" r"—I 1 1—<br />
1 0 8 6 4 2 0 8 7 6 3 2 1 0<br />
Время, мин<br />
Рис. 87. Зарегистрированные термоаэрозольным детектором хроматограммы<br />
экстрактов, содержащих азотсодержащие антиконвульсивные<br />
средства и опиумные алкалоиды<br />
а - хроматограмма 0,1%-ного раствора антиконвульсивных лекарств, полученная<br />
на кварцевой капиллярной колонке размером 10 м х 0,25 мм с полисилоксаном<br />
OV-17 в качестве неподвижной фазы при программировании температуры<br />
от 200 до 230 0 C со скоростью 6 град./мин; / - этанол; 2 - фенобарбитал<br />
(1,1 мг/мл); 3 - гексамидин (1,05 мг/мл); 4 - дифенин (1,17 мг/мл);<br />
б - хроматограмма 0,01%-ного раствора смеси опиумных алкалоидов в бутаноле,<br />
полученная при 290°С на стеклянной наполненной колонке размером<br />
0,3 м х 3 мм, заполненной Инертоном N-AW с 5% полисилоксана SE-30;<br />
/ - н-бутанол; 2 - кодеин (0,124 мг/мл); 3 - морфин (0,202 мг/мл); 4 - папаверин<br />
(0,122 мг/мл); 5 - наркотин (0,228 мг/мл) [Ленчик Н.В., Руденко Б.А., Фармация.<br />
1986. T. 35, № 5. С. 33-37]<br />
Имеются конструкции термоионного детектора, в которых<br />
отсутствует открытое пламя и образование ионов детектируемых<br />
соединений происходит в условиях беспламенного<br />
горения очень малого количества подаваемого в детектор<br />
водорода.<br />
Приведенные данные показывают, что в настоящее время<br />
имеются такие конструкции термоионного азотно-фосфорно-<br />
294<br />
Газ из колонки<br />
Рис. 88. Подача соли щелочного металла в пламенно-ионизационный<br />
детектор<br />
/ - соединительная втулка "Свейджлок"; 2 - бронзовое кольцо; 3 - уплотнение;<br />
4 - керамическая втулка; 5 - металлический капилляр с внутренним диаметром<br />
0,25 мм; 6 - кварцевый капилляр (длина 10 м, диаметр 0,05 мм);<br />
7 - металлическое кольцо; 8 - коллекторный электрод; 9 - горелка детектора.<br />
Стрелки показывают направления возможных перемещений кольца при регулировке.<br />
В кружке показан вид кольца сверху; цифры показывают возможные<br />
расстояния конца металлического капилляра от центра горелки, устанавливаемое<br />
при оптимизации режима детектора<br />
го детектора, которые обеспечивают возможность столь<br />
же устойчивой и длительной работы, как и пламенно-ионизационный<br />
детектор с сохранением высокой чувствительности и<br />
селективности. Это позволяет определять очень малые примеси<br />
веществ, содержащих азот или фосфор, как, например, в работе<br />
[265], где определяли следы регулятора роста растений<br />
даминозида (Ы,Н-диметиламидомоногидразида янтарной кислоты),<br />
предположительно обладающего канцерогенной активностью.<br />
При гидролизе в объектах окружающей среды этот<br />
препарат образует высокотоксичный 1,1-диметилгидразин,<br />
широко используемый в качестве ракетного топлива. В этой<br />
работе применяли две кварцевые капиллярные колонки длиной<br />
30 м и диаметром 0,25 мм с полисилоксанами CP-SU5CD и<br />
DB-1701 в сочетании с термоионным детектором NPD-80 фирмы<br />
"Физонс" (Италия). При величине пробы почвы 10 г предельно<br />
обнаруживаемое содержание даминозида составляло<br />
1,9 мкг/кг.<br />
Среди других детектирующих систем важное значение имеет<br />
пламенно-фотометрический детектор (рис. 89), селективно реги-<br />
295
131415 16 17 18<br />
Рис. 89. Пламенно-фотометрический детектор<br />
/ - крышка; 2 - спираль поджига; 3 - кварцевая трубка; 4 - конус;<br />
5 - горелка; 6 - корпус детектора; 7 - основание; 8 - нагреватель; 9 - колонка;<br />
10 - уплотнение; // - вход водорода; 12 - вход воздуха; 13 - тепловой фильтр;<br />
14 - тепловая развязка; 15 - радиатор; 16 - оптический фильтр; 17 - фотоумножитель;<br />
18 - коаксиальный разъем к усилителю [Сакодынский К.И. и др., Приборы<br />
для хроматографии, Москва: Машиностроение. 1987. С. 99]<br />
стрирующий соединения, содержащие серу и фосфор и широко<br />
используемый при анализе нефтепродуктов, а также при изучении<br />
загрязнений окружающей среды. Действие этого детектора<br />
основано на регистрации с помощью фотоэлементов или фотоумножителей<br />
излучения в спектральных линиях эмиссионных<br />
спектров серы и фосфора, возникающих при сгорании содержащих<br />
эти элементы соединений в водородном пламени при некотором<br />
недостатке окислителя. Собственное излучение пламени<br />
экранируется, а эмиссионные линии излучения, возникающего<br />
непосредственно над пламенем, выделяются с помощью соответствующих<br />
светофильтров или монохроматоров. Для регистрации<br />
сернистых соединений используют фильтр, соответствующий<br />
длине волны 394 нм, а для веществ, содержащих фосфор - 526 нм<br />
[266-269]. В настоящее время описаны и производятся промышленностью<br />
многочисленные модели пламенно-фотометрических<br />
детекторов, позволяющих одновременно регистрировать и сернистые<br />
и фосфорные соединения. Некоторые модели имеют<br />
коллекторный электрод и могут одновременно выполнять функ-<br />
296<br />
ции пламенно-ионизационного или термоионного детектора<br />
(рис. 89).<br />
Чувствительность пламенно-фотометрического детектора<br />
весьма высока и достигает 10~ 9 -10"'° г для сернистых соединений<br />
и 10" |0 -10~ 12 г для фосфорных соединений. Сигнал детектора<br />
пропорционален концентрации фосфора в пробе в пределах<br />
примерно шести порядков величины. Для серы сигнал<br />
детектора изменяется с концентрацией по степенному закону<br />
/ = КС а , (7-4)<br />
где / - сигнал детектора; С -концентрация серы в пробе; .К- константа;<br />
а - показатель степени, обычно близкий к двум. Применяя<br />
соответствующие оптические фильтры, пламенно-фотометрические<br />
детекторы с успехом используют для избирательного<br />
детектирования соединений, содержащих медь, железо, хром и<br />
некоторые другие элементы [270, 271].<br />
Сходными по принципу действия с пламенно-фотометрическими<br />
детекторами являются детектирующие устройства, в которых<br />
измеряется интенсивность эмиссии высокочастотной плазмы<br />
[272—276]. В одной из недавних работ по этому направлению<br />
[277] плазму формируют, зажигая разряд в гелии при частоте питающего<br />
высокочастотного поля 350 кГц в кварцевом капилляре<br />
диаметром 0,32-1,0 мм или прямо в концевой части капиллярной<br />
колонки длиной 25 м и диаметром 0,32 мм с пленкой полисилоксана<br />
толщиной 0,17 мкм. При анализе полихлорированных бифенилов<br />
для определяемых соединений были найдены соотношения<br />
элементов С/С1 и CfBr, которые хорошо совпадали с теоретическими<br />
значениями.<br />
В последние годы в газохроматографической аппаратуре<br />
ряда фирм используют детекторы, работающие по принципу<br />
атомной абсорбции [278-280]. Такие приборы, хотя и весьма<br />
дорогостоящие, в ряде случаев оказывают неоценимую пользу,<br />
например при определении следов боевых отравляющих веществ<br />
и продуктов их распада в объектах окружающей среды<br />
[281,282].<br />
Исключительно важной группой детектирующих систем<br />
являются хемилюминесцентные детекторы, регистрирующие<br />
излучение, возникающее при реакции определяемых соединений<br />
или продуктов их химических превращений с озоном<br />
(рис. 90).<br />
Перспективными системами являются озоновые детекторы,<br />
селективно регистрирующие непредельные соединения<br />
на основе их очень энергичного взаимодействия с озоном.<br />
297
Таблица 3<br />
Относительная чувствительность озонового детектора к различным типам<br />
углеводородов (отношение минимально детектируемых концентраций) [285]<br />
Температура,<br />
0 C<br />
50<br />
100<br />
150<br />
175<br />
200<br />
225<br />
250<br />
1,5 мм<br />
Пропанбензол<br />
Пропанэтилен<br />
Пропанацетилен<br />
Пропанпропадиен<br />
Бензолэтилен<br />
Бензолацетилен<br />
Бензолпропадиен<br />
Этиленацетилен<br />
Этиленпропадиен<br />
Ацетиленпропадиен<br />
-<br />
-<br />
-<br />
-<br />
-<br />
-<br />
1,6<br />
3,2<br />
2,0<br />
-<br />
-<br />
-<br />
3,910 2<br />
5,110 2<br />
1,310 2<br />
1,3<br />
3,4<br />
2,6<br />
2,810 3<br />
1,6-10 5<br />
4,2-10 5<br />
5,9-10 5<br />
59<br />
1,5-10 2<br />
2,1-Ю 2<br />
2,6<br />
3,5<br />
1,4<br />
6,1<br />
1,4-10 4<br />
4,HO 4<br />
4,7-10 4<br />
24<br />
66<br />
16<br />
2,8<br />
3,2<br />
1,1<br />
1,8<br />
26<br />
82<br />
64<br />
14<br />
45<br />
36<br />
6,3<br />
2,5<br />
0,79<br />
0,6<br />
6,7<br />
16<br />
12<br />
11<br />
27<br />
20<br />
2,5<br />
1,9<br />
0,75<br />
0,3<br />
2,9<br />
5,4<br />
4,5<br />
11<br />
20<br />
17<br />
1,8<br />
1,5<br />
0,85<br />
Рис. 90. Озоновый хемилюминесцентный детектор, селективный по отношению<br />
к непредельным соединениям<br />
1 - кварцевое окно; 2 - оптический фильтр; 3 - фотоумножитель; 4 - водяная<br />
рубашка; 5 - реакционная камера; 6 - изолятор; 7 - нагреватели; 8 - вход газа-носителя<br />
из колонки; 9 - вход воздуха, содержащего озон; 10 - выход газов<br />
При реализации этого принципа возможны два различных<br />
подхода.<br />
В первом из них элюируемые из хроматографической колонки<br />
непредельные соединения реагируют с озоном в реакторе<br />
барботажного типа, где и задерживаются все продукты озонолиза.<br />
Концентрация озона в отходящем из реактора газе измеряется<br />
по поглощению ультрафиолетового излучения в специальной<br />
ячейке [283, 284]. Появление непредельного соединения<br />
в элюате приводит к соответствующему снижению концентрации<br />
озона в выходящем из реактора газе. Это изменение<br />
концентрации регистрируется в форме хроматографического<br />
пика. При наличии каких-либо данных о концентрации<br />
компонентов можно указать число и характер двойных связей<br />
в них.<br />
Второй метод использует явление хемилюминесценции, возникающей<br />
при реакции органических соединений с озоном [285].<br />
Одна из конструкций такого детектора представлена на рис. 90.<br />
298<br />
Излучение хемилюминесценции фиксируется с помощью фотоумножителя.<br />
Это позволяет получить весьма высокую общую<br />
чувствительность, достигающую для непредельных соединений<br />
10"" моль/сек.<br />
Чувствительность детектора к предельным углеводородам<br />
существенно меняется при изменении температуры: отношение<br />
интенсивностей сигналов пропана и этилена при 150 0 C составляет<br />
1,6 • 10 5 , а при 25O 0 C - всего 2,9. Некоторые данные,<br />
характеризующие различия в чувствительности этого детектора<br />
к веществам разной степени ненасыщенности, представлены<br />
в табл. 3. Выше 300 0 C чувствительность детектора резко<br />
уменьшается вследствие интенсивного термического разложения<br />
озона (рис. 91).<br />
Сигнал такого детектора остается линейно связанным с концентрацией<br />
компонента по крайней мере до величины пробы<br />
10-6 г при 25O 0 C и до 10" 5 — 1 O^ г при 150°С (рис. 92).<br />
При прочих равных условиях чувствительность детектора<br />
возрастает примерно пропорционально концентрации озона в<br />
кислороде, подаваемом в ячейку. Наличие вспомогательного<br />
газового потока, транспортирующего озон в ячейку, малый<br />
объем газовых коммуникаций, соединяющих колонку с реакционной<br />
камерой, высокая скорость реакции озона с органическими<br />
соединениями и высокая чувствительность делают<br />
вполне возможным применение такого детектора в капиллярной<br />
хроматографии.<br />
В 1980-х гг. получил распространение высокоселективный<br />
по сере хемилюминесцентный детектор, работающий по следую-<br />
299
LJL<br />
O<br />
1 4<br />
5<br />
6<br />
7<br />
t<br />
i O<br />
9<br />
, I<br />
J I L.<br />
U<br />
Jd .<br />
20 40<br />
12<br />
t<br />
J<br />
13<br />
14<br />
i_<br />
60<br />
• Время, мин<br />
Рис. 91. Сравнение хроматограмм, зарегистрированных озоновым хемилюминесцентным<br />
и пламенно-ионизационным детекторами<br />
а - озоновый детектор, 100°С; б- озоновый детектор, 250 0 C; в - пламенноионизационный<br />
детектор; / - метан; 2 - этан; 3 - этилен; 4 - пропан; 5 - пропен;<br />
б - «зо-бутан; 7 - н-бутан; 8 - бутен-1; 9 - мзо-бутен; 10 - транс-бутен-2;<br />
II- изо-пентан; 12 - цмс-бутен-1; 13 - к-пентан; 14 - бутадиен-1,3<br />
щему принципу. Газ-носитель из хроматографической колонки<br />
поступает в обогащенное водородом пламя подобно тому, как<br />
это происходит в пламенно-фотометрическом детекторе. При<br />
сгорании в этом пламени органических соединений, содержащих<br />
серу, на первой стадии ее окисления образуется неустойчивый<br />
моноксид серы, SO [286]. Обычно в пламени это соединение далее<br />
очень быстро окисляется до диоксида серы. Однако в описываемом<br />
детекторе с помощью тонкого фарфорового зонда с внутренним<br />
диаметром около 1 мм отсасывают вакуум-насосом из<br />
средней зоны пламени газы, содержащие еще не успевший окислиться<br />
далее моноксид серы. Через соединительную коммуникацию<br />
длиной около 1 м эти газы поступают в реакционную камеру,<br />
куда одновременно подают поток воздуха, содержащего озон.<br />
300<br />
Ю- 2 10" 3 Wr* W' 5<br />
Количество пробы, г<br />
Рис. 92. Зависимость сигнала озонового детектора (площадь пика, выраженная<br />
числом импульсов) от величины пробы при разных температурах<br />
а - 100 0 C; б - 250 0 C; / - ацетилен; 2 - этилен; 3 - н-бутан<br />
При окислении моноксида серы озоном образуются возбужденные<br />
молекулы диоксида серы, которые теряют избыток энергии<br />
в виде квантов света в УФ-диапазоне. Это излучение выделяют<br />
надлежащими светофильтрами и регистрируют с помощью фотоумножителей<br />
и соответствующих усилителей сигналов<br />
(рис. 93).<br />
Если в состав анализируемой смеси входят вещества, содержащие<br />
окисленную серу (сульфоксиды, сульфоны, эфиры серосодержащих<br />
кислот и др.), то при сгорании в водородном восстановительном<br />
пламени входящая в их состав сера восстанавливается<br />
до того же моноксида серы и далее регистрируется как описано<br />
выше [287]. Таким образом, этот детектор реагирует только<br />
на атомы серы, вне зависимости от того, в какой химической<br />
форме сера поступает в пламя. По указанным причинам этот детектор<br />
отлично регистрирует также и неорганические серосо-<br />
301
13 13<br />
Рис. 93. Хемилюминесцентный детектор SCD 350В (фирма "Сивере<br />
Инстр.", США), селективно детектирующий соединения, содержащие<br />
серу<br />
/ - газовый хроматограф; 2 - сжатый воздух; 3 - водород; 4 - пламенно-ионизационный<br />
детектор; 5 - фарфоровый зонд для отбора газов из пламени-<br />
6 - регулятор скорости газа; 7- фильтр; 8 - ограничительный клапан скорости<br />
подачи воздуха; 9 - генератор озона; 10 - реакционная камера; // - фотоумножитель;<br />
12 - усилитель; 13 - самописец; 14 - датчик давления; 15 - вакуум-насос<br />
302<br />
держащие соединения, такие как CS 2 , H 2 S, SO 2 , COS, SO 3 . Вследствие<br />
этого он нашел широкое применение для контроля технологических<br />
процессов очистки природного газа и переработки<br />
нефти [288].<br />
При очень высокой чувствительности (предельно детектируемое<br />
количество серы в пробе составляет (5-10) • 10"' 2 г) детектор<br />
обладает очень широким линейным динамическим диапазоном<br />
порядка 10 5 — 10 6 и, что очень важно в практической<br />
работе, его сигнал совершенно не зависит от химического окружения<br />
атомов серы в детектируемых соединениях [289].<br />
Этот детектор отлично работает в сочетании с высокоэффективными<br />
капиллярными колонками, что особенно важно при<br />
изучении содержащих серу загрязнений окружающей среды<br />
[290, 291] (рис.94).<br />
Исключительно важное значение имеет разновидность хемилюминесцентного<br />
озонового детектора, названная его авторами<br />
"анализатор термической энергии" [292, 293] и предназначенная<br />
для селективного детектирования соединений общей<br />
формулы R 1 R 2 N-NO, называемых нитрозаминами. Эти вещества<br />
очень часто образуются при разнообразных термических<br />
процессах, в том числе при жарении и копчении пищевых<br />
продуктов. Многочисленными исследованиями установлено,<br />
что эти соединения обладают явно выраженной канцерогенной<br />
активностью [294], что и определяет острую необходимость<br />
контроля их содержания в питьевой воде и в пищевых<br />
продуктах [295]. Принцип действия этого детектора заключается<br />
в том, что покидающие хроматографическую колонку в<br />
токе газа-носителя нитрозамины подвергаются каталитическому<br />
разложению при повышенной температуре с образованием<br />
моноксида азота, NO. Это соединение далее с потоком газа-носителя<br />
поступает в реакционную камеру, где реагирует с<br />
озоном, подаваемым в ту же камеру с потоком воздуха. При<br />
этом образуются возбужденные молекулы диоксида азота,<br />
NO 2 , теряющие энергию возбуждения в виде квантов красного<br />
света (вблизи видимой границы спектра). Это излучение выделяется<br />
с помощью тёмнокрасных светофильтров и улавливается<br />
фотоумножителем. Чувствительность детектора очень<br />
высока и отвечает содержанию нитрозаминов в пробе на уровне<br />
сотен пикограмм на килограмм. Как и другие озоновые детекторы,<br />
это устройство хорошо работает в сочетании с капиллярными<br />
колонками.<br />
С помощью этого детектора, применяя стеклянные и кварцевые<br />
капилляры, с успехом определяли содержание нитрозаминов<br />
в сигаретном дыме [296], пиве и жареном мясе [297], коп-<br />
303
JUi,,.XJ JKr~~*M~*J<br />
Рис. 94. Хроматограммы, полученные с помощью серного хемилюминесцентного<br />
детектора<br />
а - серосодержащие компоненты нефтяного загрязнения морской воды<br />
(район г. Таганрог); б - судового дизельного топлива. Кварцевая капиллярная<br />
колонка длиной 25 м и диаметром 0,25 мм с полидиметилсилоксаном SE-54 в качестве<br />
неподвижной фазы. Программирование температуры от 60 до 280 0 C со<br />
скоростью нагрева 10 град/мин: / - метилбензотиофены; 2 - диметилбензотиофены;<br />
3 - дибензотиофен; 4 - метилдибензотиофены; J - диметилдибензотиофены<br />
ченостях [298] и в других объектах. При этом применяли капиллярные<br />
колонки с полисилоксанами и с высокомолекулярным<br />
полиэтиленгликолем Суперокс с молекулярной массой более<br />
4 миллионов а.е.м. Опубликован довольно подробный обзор<br />
данных по этому детектору с многочисленными примерами его<br />
применения [299].<br />
Интересно отметить, что этот детектор может быть использован<br />
не только в газовой хроматографии, но также и в<br />
жидкостной хроматографии высокого разрешения. В этом<br />
случае поступающий из колонки элюат подвергается пиролизу<br />
при 550 0 C и продукты пиролиза направляются в детектор в потоке<br />
вспомогательного газа. Таким путем успешно определяли<br />
/V-нитрозамины в пиве, жареном мясе, копченой рыбе и в других<br />
продуктах [300].<br />
Несмотря на очевидные преимущества рассмотренного озонового<br />
детектора, для хроматографического определения нитрозами-<br />
304<br />
Рис. 95. Хемилюминесцентный<br />
детектор с парами<br />
натрия<br />
/ - газ-носитель из колонки;<br />
2 - тройник типа<br />
"Свейджлок" (1/2 дюйма);<br />
3 - заглушка типа "Свейджлок"<br />
(1/2 дюйма); 4 - трубка<br />
из нержавеющей стали;<br />
5 - кварцевое окно; 6 - к вакуум-насосу<br />
чШ<br />
нов часто применяют<br />
также и более доступный<br />
пламенно-фотометрический<br />
детектор, как,<br />
например, в работе [301].<br />
Интересный вариант<br />
хемилюминесцент-<br />
ного детектора описали Ямада и сотр. [302]. Газ-носитель из хроматографической<br />
колонки через капилляр диаметром 0,8 мм поступает<br />
в камеру диаметром 7 мм и длиной 80 мм, нагретую до<br />
340-380 0 C. В камере в специальном металлическом сосуде, в качестве<br />
которого используется заглушка из комплекта деталей<br />
"Свейджлок", находится небольшое количество металлического<br />
натрия (рис. 95). С помощью вакуум-насоса в камере поддерживается<br />
давление 2-10 мм рт. ст. (0,25-1,5 кПа). Когда в камеру, атмосфера<br />
которой насыщена парами натрия, поступают органические<br />
вещества, содержащие галогены, то вблизи выходного отверстия<br />
капилляра возникает свечение хемилюминесценции в результате<br />
химической реакции галогенопроизводных с атомами<br />
натрия в паровой фазе. Это свечение через кварцевое окошко<br />
поступает на фотоумножитель и возникающий сигнал далее усиливается<br />
соответствующими электронными схемами.<br />
Этот детектор обладает очень высокой чувствительностью,<br />
что позволяет регистрировать галогеносодержащие соединения<br />
на уровне Ю -10 —Ю -14 г/сек, а его селективность даже выше, чем у<br />
электронно-захватного детектора. С его помощью оказывается<br />
возможным детектировать около 1 пг трихлорэтилена, около<br />
3 пг четыреххлористого углерода и 0,1-10 нг фреонов. Повышению<br />
чувствительности детектирования при этом способствуют<br />
такие особенности структуры детектируемых молекул, как наличие<br />
двух, трех или четырех атомов хлора у соседних атомом углерода,<br />
как в дихлорэтане, или наличие атомов хлора у соседних<br />
атомов углерода, связанных двойной связью, как в тетрахлорэти-<br />
305<br />
5 см
лене. В то же время детектор абсолютно нечувствителен к большинству<br />
соединений, содержащих кислород, серу и азот, а также<br />
к алифатическим и ароматическим углеводородам. Эти весьма<br />
полезные качества с избытком компенсируют неудобства, связанные<br />
с необходимостью применения вакуума и с периодическим<br />
добавлением металлического натрия (1 г натрия достаточно<br />
для работы детектора в течение 40 часов), что обещает такому<br />
детектору достаточно широкую область применения.<br />
Описанный хемилюминесцентный детектор определенно может<br />
работать в сочетании с капиллярными колонками, заменяя<br />
при этом электронно-захватный детектор.<br />
Интересной и важной группой детектирующих устройств являются<br />
фотоионизационные детекторы, приобретающие в последнее<br />
время всё более широкое распространение в практике газовой<br />
хроматографии, особенно в приборах, предназначенных<br />
для полевых анализов, выполняемых непосредственно на месте<br />
отбора проб. В этих детекторах, в отличие от радиоионизационных<br />
и пламенно-ионизационных детектирующих устройств, ионизация<br />
определяемых соединений осуществляется под действием<br />
УФ-излучения с энергией квантов, превышающих потенциал<br />
ионизации детектируемых соединений.<br />
По своей конструкции фотоионизационные детекторы представляют<br />
собой сочетание источника УФ-света и ионизационной<br />
камеры. Возникновение УФ-излучения под действием электрического<br />
разряда может происходить либо в объеме, непосредственно<br />
сообщающемся с ионизационной камерой, либо в отдельном<br />
объеме, отграниченном от ионизационной камеры прозрачной<br />
для УФ-света перегородкой.<br />
В первом случае ионизационная камера не отделена от излучателя,<br />
так что возможно движение газа из одного объема в другой.<br />
При этом давление газа одинаково и в источнике излучения<br />
и в ионизационной камере. Источником излучения в детекторах<br />
такой конструкции может быть тлеющий разряд. В зависимости<br />
от характера применяемого газа детектор может детектировать<br />
те вещества, потенциал ионизации которых ниже энергии квантов<br />
света, испускаемого излучением разряда. Так, например, применение<br />
в качестве разрядного газа гелия делает детектор универсальным,<br />
так как в спектре тлеющего разряда в гелии имеется<br />
интенсивное УФ-излучение с длиной волны до 50 нм, то есть с<br />
энергией фотонов 24,3 эВ, что превышает потенциалы ионизации<br />
всех известных веществ.<br />
При осуществлении тлеющего разряда в гелии максимум<br />
энергии выделяется в узких спектральных линиях, лежащих далеко<br />
в ультрафиолетовой области. Энергия квантов этого излу-<br />
306<br />
Рис. 96. Гелиевый фотоионизационный<br />
детектор<br />
/ - подвод вспомогательного потока<br />
гелия; 2 - электроды тлеющего разряда;<br />
3 - камера тлеющего разряда;<br />
4 - ионная ловушка; J - измерительная<br />
камера; 6 - катод; 7 - анод (никелевая<br />
трубка диаметром 1 мм); 8 - вход газа<br />
из колонки; 9 - выход газов<br />
чения превышает потенциал<br />
ионизации большинства органических<br />
соединений, что поз- 1 8 9<br />
воляет сконструировать весьма i , , 1<br />
2 3 см<br />
миниатюрный фотоионизаци- ° !<br />
онный детектор [303]. Как и в<br />
случае аргонового детектора без радиоактивного изотопа, разряд<br />
осуществляется при давлении 1-2 кг/см 2 в камере с двумя<br />
вольфрамовыми электродами - заостренным и плоским, расположенными<br />
на расстоянии 0,1-0,3 мм друг от друга. В камеру с<br />
этими электродами поступает вспомогательный поток гелия<br />
(30-50 мл/мин), а элюат из колонки поступает непосредственно в<br />
ионизационную камеру (рис. 96). Однако в отличие от аргонового<br />
детектора (см. рис. 79) между разрядной и ионизационной камерами<br />
имеется заземленный коллекторный электрод, отводящий<br />
свободные заряды, образующиеся в разрядном промежутке.<br />
Под действием ультрафиолетового излучения, возникающего<br />
в зоне разряда, поступающие из колонки органические соединения<br />
ионизируются и ионный ток фиксируется в качестве сигнала<br />
детектора. Любопытно, что в связи с тем, что максимум излучаемой<br />
энергии лежит в далекой ультрафиолетовой области,<br />
тлеющий разряд в гелии выглядит как тусклая звездочка интенсивного<br />
фиолетового цвета.<br />
Сходные системы, в которых разряд в газах осуществляется<br />
при атмосферном давлении, известны довольно давно [303-306].<br />
Однако более устойчивый разряд обеспечивается в том случае,<br />
когда излучающий объем и ионизационная камера находятся при<br />
пониженном давлении [307-310]. В этом случае для возбуждения<br />
разряда можно использовать не только тлеющий разряд постоянного<br />
тока, но и СВЧ-разряд [310, 311]. Эти детекторы имели<br />
близкие характеристики и позволяли достичь предельно определяемых<br />
концентраций детектируемых веществ порядка<br />
10" 10 -10~" г/мл (по пропану, бензолу и др.).<br />
Несмотря на привлекательные характеристики, фотоионизационные<br />
детекторы с неразделенными объемами не получили<br />
307
широкого распространения вследствие определенной нестабильности<br />
разряда, связанной с диффузионным проникновением органических<br />
веществ из ионизационной камеры в зону разряда.<br />
Более успешными были усилия, направленные на создание таких<br />
детекторов, в которых зона разряда отделена от ионизационной<br />
камеры оптическим окном из подходящего материала, хорошо<br />
пропускающего коротковолновое УФ-излучение. По существу,<br />
такие детекторы представляют собой комбинацию лампы ультрафиолетового<br />
излучения и миниатюрной ионизационной камеры<br />
[312—314]. При этом применяются лампы, в которых возбуждается<br />
разряд в газах при давлении 10-15 Па, так что испускается<br />
излучение в отдельных спектральных линиях спектра заполняющего<br />
лампу газа. В практике используются водородные, дейтериевые,<br />
гелиево-криптоновые и гелиево-ксеноновые лампы.<br />
Такие лампы выпускаются многочисленными фирмами-производителями<br />
и различаются по величине так называемой "номинальной<br />
энергии", - условного параметра, в известной степени<br />
характеризующего ионизирующую способность излучения данной<br />
лампы. Так, например, излучение криптоновой лампы с номинальной<br />
энергией 11,7 эВ обеспечивает ионизацию практически<br />
всех органических соединений, а излучение лампы с номинальной<br />
энергией 10,2 эВ ионизирует преимущественно ароматические,<br />
непредельные и содержащие кислород и азот соединения<br />
(бензол, фенол, диеновые углеводороды, анилин и др.) [316]. Различия<br />
в ионизирующей способности определяют и соответствующую<br />
разницу в чувствительности детектирования в 10-50 раз и<br />
более. Эти различия в чувствительности используют для идентификации<br />
пиков на хроматограммах [316-318].<br />
Фотоионизационный детектор может быть использован в<br />
таком режиме, когда формирование полезного сигнала осуществляется<br />
за счет уменьшения фонового тока, то есть в режиме<br />
электронно-захватного детектора [319, 320]. При этом была достигнута<br />
величина предельно детектируемого количества пестицида<br />
гептахлордициклопентадиена, равная 10"' 2 г [320]. Такой детектор<br />
выгодно отличается от обычных конструкций электронно-захватного<br />
детектора отсутствием радиоактивных изотопов.<br />
Физические закономерности работы фотоионизационного<br />
детектора таковы, что его чувствительность увеличивается пропорционально<br />
величине объема ионизационной камеры. Тем не<br />
менее, удалось разработать конструкции фотоионизационных<br />
детекторов с эффективным объемом менее 10 мкл, вполне пригодные<br />
для работы с капиллярными колонками без снижения их<br />
эффективности. В настоящее время публикации по капиллярной<br />
хроматографии с фотоионизационными детекторами достаточно<br />
308<br />
многочисленны. В качестве примеров можно привести следующие<br />
работы. На стеклянной капиллярной колонке размером<br />
50 м х 0,32 мм с Тритоном Х-305 в качестве неподвижной<br />
фазы определяли нитрозамины в пищевых продуктах [321].<br />
С использованием кварцевых капиллярных колонок размером<br />
50 м х 0,3 мм в работах [322, 323] определяли органические загрязнения<br />
в воздухе (углеводороды, кислородсодержащие соединения<br />
и др.). Анилин, его хлорпроизводные и другие азотсодержащие<br />
соединения в сточных водах промышленного предприятия<br />
определяли на стеклянной капиллярной колонке размером<br />
30 м х 0,25 мм с полисилоксаном SE-52 в качестве неподвижной<br />
фазы [324]. Летучие ароматические углеводороды в осадках и полициклические<br />
ароматические углеводороды в городской пыли<br />
анализировали с помощью фотоионизационных детекторов на<br />
кварцевых капиллярных колонках длиной до 60 м и диаметром<br />
0,25 и 0,32 мм с полисилоксаном DB-5 в качестве неподвижной<br />
фазы [325, 326]. Стероидные соединения в форме их пентафторфенилдиметилсилильных<br />
производных успешно определяли на<br />
кварцевой капиллярной колонке размером 15 м х 0,33 мм при<br />
температурах до 275°С [327, 328]. Метадон в плазме крови определяли<br />
с использованием кварцевой капиллярной колонки длиной<br />
25 м и диаметром 0,2 мм с предельно определяемым количеством<br />
вещества в пробе около 7 • 10~ 14 г [329].<br />
В целом, в настоящее время фотоионизационные детекторы<br />
находят достаточно широкие области применения в газохроматографическом<br />
анализе с использованием капиллярных колонок.<br />
Более подробно особенности работы фотоионизационных детекторов<br />
и сферы их применения в газовой хроматографии рассмотрены<br />
в специализированных обзорах и монографиях [330, 331].<br />
Органические соединения, меченые радиоактивными изотопами<br />
углерода 14 C и трития, детектируются с помощью счетчиков<br />
радиоактивного излучения. В этом направлении выполнено<br />
очень большое число исследований, результаты которых обобщены<br />
с монографиях и обзорах, например [332-335]. Ряд теоретических<br />
вопросов и практических аспектов радиохроматографии<br />
освещены в работе венгерских исследователей [336]. Подробные<br />
описания радиоактивных детекторов, работающих в сочетании<br />
с кварцевыми капиллярными колонками, приведены в<br />
работах [337, 338]. В этих работах были использованы кварцевые<br />
капиллярные колонки длиной 12 м и более с полисилоксанами<br />
OV-101 и QF-I. При 230 0 C с помощью радиоактивного детектора<br />
на хроматограммах были идентифицированы пики эстрогенов,<br />
меченых тритием и ' 4 C. В работах [337-340] радиоактивные детекторы<br />
работали параллельно с пламенно-ионизационными дете-<br />
309
кторами, регистрировавшими полную хроматограмму анализируемых<br />
смесей.<br />
В течение полувекового развития метода газовой хроматографии<br />
в качестве детектирующих средств были опробованы и с большим<br />
или меньшим успехом применялись в аналитической практике<br />
детектирующие системы, базирующиеся на хорошо апробированных<br />
в аналитической практике физических методах исследования.<br />
Таковы детекторы, измеряющие светопоглощение в УФ-, видимом<br />
и ИК-диапазонах. Их применение в сочетании с капиллярной хроматографией<br />
затруднительно вследствие того, что малое поглощение<br />
света в газообразной среде требует довольно значительного<br />
объема оптических ячеек. Кроме того, в обычных вариантах<br />
ИК-спектроскопии время сканирования спектров достаточно велико<br />
и намного превышает время увеличения и уменьшения концентрации<br />
вещества, элюируемого из высокоэффективной капиллярной<br />
колонки. Поэтому получили определенное распространение<br />
лишь приборы, в которых капиллярная хроматография сочетается<br />
с ИК-спектроскопическими системами, фиксирующими ИК-спектр<br />
с Фурье-преобразованием, что позволяет преодолеть трудности,<br />
связанные с длительностью сканирования спектра [341, 342]. В то<br />
же время чувствительность современных светоприемников в<br />
ИК-диапазоне столь высока, что для регистрации ИК-спектра с<br />
Фурье-преобразованием оказывается достаточным использовать<br />
оптические ячейки в виде цилиндрического канала длиной<br />
150-200 мм и диаметром 1,5-2 мм с полированными и позолоченными<br />
стенками [343-345]. Техническое выполнение такого канала<br />
сопряжено с весьма значительными трудностями и потому осуществляется<br />
лишь небольшим числом приборостроительных фирм и<br />
организаций достаточно высокого уровня. Давая обширную информацию<br />
о строении молекул детектируемых соединений, такие<br />
приборы оказывают огромную помощь при идентификации неизвестных<br />
компонентов анализируемых смесей.<br />
В последние годы расширилась сфера применения детекторов,<br />
использующих атомно-эмиссионную и атомно-абсорбционную<br />
спектроскопию [346-350]. Эти детектирующие системы оказываются<br />
особенно полезными в тех случаях, когда анализируемые<br />
смеси органических соединений содержат не только обычные<br />
элементы-органогены, но и другие элементы - галогены, токсичные<br />
металлы, свинец, мышьяк, бериллий и др. Такие смеси<br />
часто встречаются, например, в практике анализа загрязнений<br />
окружающей среды или при контроле за уничтожением химического<br />
оружия [351-356].<br />
Однако особенно важное значение в настоящее время имеет<br />
сочетание капиллярной хроматографии с методом масс-спектро-<br />
310<br />
метрии. Комбинация широчайших возможностей масс-спектрометрии<br />
в изучении структуры индивидуальных органических соединений<br />
с исключительно мощной разделяющей способностью<br />
капиллярных хроматографических колонок привела к возникновению<br />
и бурному развитию нового самостоятельного химико-аналитического<br />
метода - хромато-масс-спектрометрии. В настоящее<br />
время этот метод анализа является непревзойденным как по широте<br />
своей сферы применения, так и по богатству получаемой с его<br />
помощью химико-аналитической информации. Поэтому принципы<br />
хромато-масс-спектрометрии далее кратко изложены в следующем<br />
разделе, специально посвященному этому методу.<br />
Существует еще целый ряд детектирующих устройств, которые<br />
применялись или могут применяться в сочетании с капиллярными<br />
колонками, например, ультразвуковые, высокочастотные,<br />
кулонометрические и др. Однако эти детекторы используются<br />
много реже, чем описанные здесь системы. Поэтому мы отсылаем<br />
интересующихся читателей к специальным руководствам по<br />
вопросам детектирования в газовой хроматографии [168, 170,<br />
171, 175,357-363].<br />
7.4. РЕГИСТРАТОРЫ. ЭКСПРЕСС-ХРОМАТОГРАФИЯ<br />
Высокочувствительные детектирующие устройства, применяемые<br />
в капиллярной хроматографии, как правило, вырабатывают<br />
весьма слабый электрический сигнал, который может быть<br />
зафиксирован лишь после предварительного усиления в несколько<br />
сотен или тысяч раз. Поэтому регистрирующие системы современных<br />
хроматографических приборов включают высококачественные<br />
электронные усилители, соответствующие записывающие<br />
устройства и электронно-вычислительные машины.<br />
Капиллярная хроматография, обеспечивая высокую эффективность<br />
разделения, приводит к тому, что пики отдельных компонентов<br />
имеют весьма небольшую ширину, что, в свою очередь,<br />
определяет относительно высокую скорость изменения электрического<br />
сигнала при элюировании переднего и заднего концентрационных<br />
фронтов хроматографической зоны. Так, например,<br />
если необходимо зафиксировать фронт пика компонента, элюируемого<br />
через 15 мин после ввода пробы из капиллярной колонки<br />
эффективностью 100 тыс. т. т., то его ширина в середине высоты<br />
составит всего 4 сек. Если пик должен полностью уложиться<br />
в пределах шкалы записывающего прибора (0-1 мВ), то скорость<br />
изменения сигнала при записи переднего и заднего фрон-<br />
311
тов составит примерно 0,5 мВ/сек. Изменяющийся с такой скоростью<br />
сигнал может быть зарегистрирован с достаточной для практики<br />
точностью только в том случае, если постоянная времени<br />
регистратора будет по крайней мере на один порядок величины<br />
меньше, т.е. будет близка к 0,05 сек. При этом время отклонения<br />
указателя на всю шкалу составит примерно 0,1 сек. Такое быстродействие<br />
регистрирующего прибора в настоящее время считается<br />
минимально необходимым при работе с капиллярными колонками.<br />
При использовании для целей газовой хроматографии<br />
самопишущих потенциометров, выпускаемых, в основном, для<br />
теплофизических измерений и имеющих время пробега шкалы<br />
1 сек, можно записать без существенных искажений лишь такие<br />
пики, которые соответствуют 1/2-1/3 шкалы при ширине пика не<br />
менее 20-30 сек. Если при этом эффективность колонки соответствует<br />
30-50 тыс. т.т., то время удерживания компонентов, представляющих<br />
интерес для количественного анализа, не должно<br />
быть меньше чем 15-20 мин.<br />
Указанные требования к регистрирующим устройствам, использующим<br />
электромеханический принцип записи сигналов, являются<br />
весьма жесткими. Источником затруднений, в частности,<br />
являются инерционные свойства механической системы перемещения<br />
указателя с пером или другим пишущим элементом, а также<br />
трение этого элемента о бумагу. Хотя регистрирующая аппаратура<br />
такого типа непрерывно совершенствуется, трудно ожидать<br />
появления самописцев с применяемой сейчас электромеханической<br />
системой записи, имеющих время пробега шкалы меньше<br />
0,1 сек.<br />
Более плодотворным для регистрации и последующего воспроизведения<br />
хроматограмм оказались электронно-вычислительные<br />
системы на уровне персональных компьютеров. Такие<br />
устройства встраиваются в состав современных хроматографов и<br />
хромато-масс-спектрометров, либо эти приборы соединяются с<br />
отдельными персональными компьютерами. Это позволяет наблюдать<br />
развитие хроматографического процесса на экране компьютерного<br />
дисплея.<br />
Вся получаемая информация фиксируется в памяти компьютера<br />
и может быть в любое время вновь представлена на экране<br />
или распечатана в форме бумажного документа. Несколько достаточно<br />
представительных примеров таких устройств описаны в<br />
публикациях [364-369].<br />
Приведенная выше оценка требуемых характеристик быстродействия<br />
регистрирующей системы позволяет оценить необходимую<br />
полосу частот пропускания вспомогательных электронных<br />
устройств, таких, как усилители, интеграторы и т.п. Можно<br />
312<br />
считать, что при работе с капиллярными колонками минимально<br />
допустимая полоса пропускаемых частот должна быть не менее<br />
10-20 Гц. Такую полосу пропускания регистрирующих устройств<br />
ранее обеспечивали только малоинерционные записывающие системы,<br />
такие, как быстродействующие гальванометрические самописцы,<br />
устройства для фотографической записи на светочувствительной<br />
бумаге, шлейфовые и электронные осциллографы и<br />
т.п. В настоящее время применяемые для обработки хроматографической<br />
информации компьютерные системы обладают, как<br />
правило, на несколько порядков величины большим быстродействием<br />
и поэтому полностью обеспечивают возможность решения<br />
этой проблемы.<br />
Для усиления слабых электрических сигналов ионизационных<br />
детекторов в настоящее время в основном применяются схемы<br />
усилителей, используемых в электрометрических системах,<br />
предназначенных для измерения слабых постоянных либо очень<br />
медленно меняющихся токов и напряжений. Широкое применение<br />
находят так называемые параметрические усилители, использующие<br />
предварительное преобразование слабых электрических<br />
сигналов постоянного тока в сигналы переменного тока.<br />
Чаще всего такое преобразование производится с помощью конденсаторов<br />
с периодически изменяющейся емкостью. В обоих<br />
случаях обеспечение полосы пропускания 0-10 Гц наталкивается<br />
на весьма значительные трудности, преодоление которых существенно<br />
усложняют усилитель и увеличивают его стоимость.<br />
Общие принципы конструирования усилителей, предназначенных<br />
для усиления слабых электрических сигналов, изложены<br />
в специальных руководствах [367-370]. Однако по сравнению с<br />
усилителями, применяемыми в обычных электрометрических измерениях,<br />
к устройствам, используемым в хроматографии,<br />
предъявляются дополнительные требования: способность к долговременной<br />
работе, высокая линейность и очень малый дрейф<br />
фонового сигнала. В особых случаях длительность хроматографического<br />
опыта с использованием капиллярных колонок может<br />
достигать 14-16 ч и более [371]. Если полагать, что за время опыта<br />
смещение нулевой линии хроматограммы в результате дрейфа<br />
усилителя не должно превышать 1% шкалы регистратора, то при<br />
обычном диапазоне шкалы 0-1 мВ скорость дрейфа не должна<br />
превышать 10 мкВ в сутки. Это требует высокой стабильности<br />
работы источников питания и всех элементов схемы применяемых<br />
усилителей.<br />
Важной особенностью капиллярных колонок является возможность<br />
разделения весьма сложных смесей за время, измеряемое<br />
секундами или несколькими минутами. Сочетая быстро ра-<br />
313
6 Время, сек<br />
2 Время, сек<br />
Рис. 97. Зарегистрированные осциллографом хроматограммы с малым<br />
временем регистрации<br />
а - 9 изомеров гептана (колонка со скваланом длиной 2 м, диаметром<br />
0,069 мм, газ-носитель водород, давление на входе в колонку 2,1 кг/см 2 ),<br />
б - смесь углеводородов C 5 -C 7 ; колонка со скваланом длиной 1,2 м, диаметром<br />
0,035 мм, газ-носитель водород, давление на входе в колонку 14 кг/см-); число<br />
разделения, рассчитанное по паре гексан-гептан, с учетом времени анализа,<br />
равно 9; / - 2-метилбутан; 2 - н-пентан; 3 - 2,2-диметилбутан; 4 - 2,3-диметилбутан;<br />
5 - 2-метилпентан; 6 - 3-метилпентан; 7 - н-гексан; 8 - 2,2-диметилпентан;<br />
9 - 2,4-диметилпентан; IO - 2,2,3-триметилбутан; 11 - 3,3-диметилпентан;<br />
12 - 2-метилгексан и 2,3-диметилпентан; 13 - 3-метилгексан; 14 - 3-этилпентан,<br />
15 - н-гептан<br />
ботающие колонки с автоматическими устройствами для периодического<br />
ввода пробы и с быстродействующими регистрирующими<br />
системами, можно осуществить визуальное представление<br />
хроматографической информации. Это дает возможность практически<br />
непрерывного контроля состава анализируемой смеси,<br />
что важно, например, в системах управления промышленными<br />
процессами, предусматривающими участие оператора. Важной<br />
особенностью таких устройств является низкая скорость горизонтальной<br />
развертки осциллографа, соответствующая времени<br />
записи хроматограммы. При частоте развертки ниже 0,1 Гц электронные<br />
устройства регистрации оказываются недостаточно на-<br />
314<br />
дежными. В экспресс-анализе в этих случаях применялись осциллографические<br />
системы регистрации с электромеханической системой<br />
горизонтальной развертки [372-375].<br />
В качестве примера на рис. 97 приведены хроматограммы,<br />
полученные с помощью таких устройств.<br />
В наиболее полной мере требованиям капиллярной хроматографии<br />
отвечают интеграторы и устройства обработки данных,<br />
базирующиеся на переводе хроматографического аналогового<br />
сигнала в дискретную, цифровую форму. Современные устройства<br />
подобного типа, в которых используется компьютерная техника,<br />
могут осуществлять интегрирование сигналов, преобразованных<br />
в дискретную форму, с одновременной компенсацией дрейфа<br />
нулевой линии, учетом неполноты разделения близких компонентов,<br />
дискриминацией случайных импульсных помех и фильтрацией<br />
статистического шума. Подобные системы не только фиксируют<br />
первичный электрический сигнал детектора, соответствующий<br />
максимальной концентрации данного пика или его площади,<br />
но осуществляют расчет концентраций заданных компонентов<br />
анализируемой смеси с учетом заранее введенных в память<br />
ЭВМ градуировочных коэффициентов. В ряде систем возможно<br />
также автоматическое проведение выбора компонентов,<br />
учитываемых при расчете состава смеси в соответствии с заданным<br />
уровнем минимальной концентрации. Современные автоматические<br />
системы для обработки хроматографической информации<br />
обычно допускают возможность расчета параметров удерживания<br />
компонентов и идентификацию пиков путем сравнения<br />
с данными, хранящимися в памяти ЭВМ [376-379]. Подобные системы<br />
ныне широко распространены, особенно в аппаратуре, сочетающей<br />
преимущества капиллярной хроматографии и массспектрометрии<br />
[380, 381]. Некоторые из таких систем подробнее<br />
обсуждаются в следующей главе.<br />
В настоящее время с большой остротой встала проблема<br />
быстрого (за 10-20 сек) обнаружения в воздушной среде очень<br />
малых концентраций веществ с весьма незначительной упругостью<br />
пара. К таким веществам относятся прежде всего взрывчатые<br />
вещества и разнообразные наркотические средства. Эта аналитическая<br />
проблема возникла в тесной связи с такими отрицательными<br />
социальными явлениями, как распространение терроризма<br />
на транспорте и в местах скопления людей (на вокзалах,<br />
рынках, в метро, в подземных переходах улиц и т.д.) и незаконного<br />
оборота наркотиков. Эти явления, к сожалению, получившие<br />
большое распространение в последние десятилетия XX в., потребовали<br />
создания аналитических систем обнаружения указанных<br />
веществ, скрыто переносимых или перевозимых в одежде, в бага-<br />
315
же пассажиров или в средствах транспорта. Для решения этой<br />
проблемы привлекались многочисленные физические и химические<br />
методы анализа, однако серьезный прогресс был достигнут,<br />
в основном, только при использовании газовой хроматографии и<br />
масс-спектрометрии.<br />
При создании таких систем для скоростного анализа основные<br />
трудности связаны с тем, что упругость пара большинства<br />
взрывчатых веществ и наркотиков чрезвычайно мала. Так, например,<br />
упругость пара одного из наиболее распространенных в<br />
настоящее время взрывчатых веществ - гексогена - при 2O 0 C<br />
равна 4,6 х 10~ 9 мм рт. ст., что соответствует относительной концентрации<br />
насыщенного пара этого соединения 6 х 10~ 15 [382].<br />
В композициях взрывчатых веществ, применяемых в реальной<br />
боевой практике, взрывчатка на основе гексогена, обозначаемая<br />
С-4, содержит маслообразные и полимерные составляющие, что<br />
может привести к снижению упругости паров гексогена над этим<br />
материалом еще на 1-2 порядка величины. Поэтому одно из самых<br />
главных требований к таким аналитическим системам, кроме<br />
быстроты анализа, - это очень высокая чувствительность как<br />
детектирующей системы, так и всего аналитического комплекса<br />
в целом. Поэтому при создании таких систем для скоростного<br />
анализа используются все возможности, выявленные при изучении<br />
разнообразных систем капиллярной хроматографии. Так,<br />
уже довольно давно установлено, что достижимая скорость анализа<br />
увеличивается при уменьшении диаметра капиллярной колонки<br />
[383, 384].<br />
Для решения данной проблемы разрабатываются разнообразные<br />
автоматизированные системы для скоростного ввода<br />
проб [385-388]. Система, использующая элементы пневмоавтоматики<br />
(пневмотриггер), описанная в работе [384], позволяет<br />
уменьшить время ввода пробы до нескольких миллисекунд. На<br />
капиллярной колонке длиной 8 м и диаметром 50 мкм с этой системой<br />
ввода проб была достигнута эффективность около 10 5 т. т.,<br />
а наибольшая удельная эффективность, достигнутая в этой работе<br />
была равна 40 тыс. т. т./м.<br />
Интенсивно разрабатываются системы скоростного детектирования,<br />
включающие масс-спектрометрию и ПК-спектроскопию<br />
с Фурье-преобразованием [385-387]. Большое внимание исследователей<br />
было направлено на создание пробоотборных устройств,<br />
позволяющих в течение короткого времени (несколько<br />
секунд!) накопить и ввести в хроматограф количество определяемого<br />
вещества, достаточное для их уверенного детектирования<br />
и идентификации. В результате этих усилий были созданы специализированные<br />
высокоскоростные хроматографы для контроля<br />
316<br />
присутствия взрывчатых веществ в аэропортах, на стадионах,<br />
рынках и других местах общественного пользования [388-392].<br />
В работах [389-391] был использован хемилюминесцентный озоновый<br />
детектор ("анализатор термической энергии"), регистрировавший<br />
моноксид азота, NO, образующийся при термическом<br />
разложении определяемых веществ. С помощью хроматографа<br />
"Эгис 3000", описанного в работе [391], оказалось возможным<br />
определять всего за 10-15 сек такие вещества как динитрат этиленгликоля,<br />
нитроглицерин, динитротолуол и тринитротолуол,<br />
тетранитрат пентаэритрита, гексоген и др. Сходная система анализа<br />
была использована в устройстве "Сентор" для быстрого обнаружения<br />
наркотиков, таких как кокаин и героин [392]. В аналогичном<br />
приборе EVD-I фирмы "Скинтрекс" (Канада) использованы<br />
две капиллярные колонки и электронно-захватный детектор<br />
[393]. Этот прибор предназначен для быстрого обнаружения<br />
как самих взрывчатых веществ, так и их специальных индикаторов,<br />
имеющих сходное строение с целевыми компонентами, но<br />
существенно большую упругость пара. Такие вещества, называемые<br />
"таганты" (от английского слова tag - метка, ярлык), вводятся<br />
специально в состав взрывчатых веществ для облегчения их<br />
обнаружения и идентификации. Такими веществами являются,<br />
например, изомеры нитротолуола, динитрат этиленгликоля, нитробензол<br />
и др. Рассмотренный выше прибор обеспечивает возможность<br />
обнаружения таких веществ в воздухе в концентрациях<br />
порядка 1-5 трлн^' (частей на триллион), что превышает чувствительность<br />
обоняния человека и в ряде случаев приближается<br />
к чувствилельности обоняния собаки (10 9 -10" молекул /см 3 ).<br />
Весьма высокие скорости анализа, позволяющие детектировать<br />
взрывчатые вещества и наркотики всего за несколько секунд,<br />
были достигнуты при использовании хроматографов ЭХО<br />
с пламенно-ионизационным, фотоионизационным или электронно-захватным<br />
детектором (Конструкторско-технологический институт<br />
геофизического и экологического приборостроения Сибирского<br />
отделения РАН, г. Новосибирск). Высокое быстродействие<br />
и очень высокая чувствительность этого прибора достигаются<br />
благодаря использованию в нем поликапиллярных колонок<br />
(многоканальных капиллярных колонок), обеспечивающих эффективность<br />
разделения до 5000 т. т. даже длине колонки всего<br />
20-30 см и при времени анализа 5-10 сек [21-24].<br />
В целом, анализ доступной литературы позволяет заключить,<br />
что в настоящее время имеется явно выраженная тенденция к все<br />
более широкому использованию быстродействующей малогабаритной<br />
газо-хроматографической аппаратуры не только для специальных<br />
целей типа обнаружения взрывчатых веществ или нар-<br />
317
котиков, но и для выполнения широкого спектра анализов, связанных<br />
с контролем загрязнения окружающей среды, регистрацией<br />
локальных нарушений типа разливов нефти или ракетных<br />
топлив и т.д. Примером' таких малогабаритных переносных хроматографов,<br />
кроме перечисленных выше приборов, могут быть<br />
также хроматографы серии НР-Микро-ГХ фирмы "Хьюлетт-<br />
Паккард" (США), позволяющие проводить анализ смесей углеводородов<br />
С,-С 5 , перманентных и серосодержащих газов (H 9 S, SO 2 ,<br />
COS) за 100-160 сек [394].<br />
Тенденции в области создания и использования портативных<br />
хроматографических приборов, в том числе и использующих капиллярные<br />
колонки, отражены в обзорах [395, 396]. Авторы этих<br />
обзоров полагают, что развитие газохроматографического приборостроения<br />
пойдет по пути миниатюризации и все более широкого<br />
использования компьютерных технологий. В то же время<br />
Международной метрологической организацией уже сформулированы<br />
четкие требования к портативным газовым хроматографам,<br />
предназначенным для определения опасных химических загрязняющих<br />
веществ непосредственно на местах отбора проб<br />
[397]. Такие приборы должны иметь клапанные или шприцевые<br />
устройства для ввода проб и капиллярные колонки. Диапазон рабочих<br />
температур этих приборов должен составлять 20-200 0 C, их<br />
линейный диапазон не должен быть менее 10 000, а масса этих<br />
приборов не должна превышать 30 кг.<br />
В настоящее время большинство фирм и организаций, занимающихся<br />
производством хроматографической аппаратуры, выпускают<br />
приборы, предназначенные для работы как с наполненными,<br />
так и с капиллярными колонками. В ряде случаев хроматографические<br />
приборы, использующие капиллярные колонки,<br />
жестко специализированы для выполнения какой-либо одной<br />
аналитической задачи. Это относится ко многим приборам, предназначенным<br />
для работы в промышленности, или используемым<br />
в экспедиционных условиях. Такие приборы часто снабжаются<br />
системами дистанционного управления, порой на расстояниях,<br />
измеряющихся космическими масштабами. Примерами могут<br />
служить капиллярный хроматограф, являвшийся частью автоматической<br />
системы "Викинг", предназначавшейся для выяснения<br />
вопроса о наличии жизни на Марсе [398, 399], или система "Сигма",<br />
использованная для газо-хроматографического анализа атмосферы<br />
Венеры [400, 401].<br />
Примерами лабораторных хроматографов, успешно используемых<br />
для работы со стеклянными и кварцевыми капиллярными<br />
колонками являются модель HP 5890 фирмы "Хьюлетт-Паккард"<br />
(США), часто используемая совместно с масс-селективным<br />
318<br />
детектором HP 5160, приборы серий GC 4160, GC 6000 и GC 8000<br />
фирмы "Карло Эрба" (Италия), хроматограф DANI 3800 фирмы<br />
"Дани" (Италия), ряд хроматографов фирмы "Вариан" (США),<br />
например модель 3700, хроматографы ТОР и TRACE фирмы<br />
"Термо Квест" (США) и модель "Шимадзу-1975" фирмы "Шимадзу"<br />
(Япония).<br />
В России удачным хроматографом, специально сконструированным<br />
для работы со стеклянными капиллярными колонками,<br />
являлся прибор "Биохром", разработанный СКВ ИОХ АН<br />
СССР, и выпускавшийся промышленностью в течение длительного<br />
времени. В настоящее время в России, кроме уже упомянутого<br />
выше хроматографа "ЭХО", производится весьма совершенный<br />
хроматограф с компьютерным управлением "Кристалл-<br />
2000" (г. Йошкар-Ола), вполне пригодный для работы со стеклянными<br />
и кварцевыми капиллярными колонками [402].<br />
Заканчивая эту главу, посвященную аппаратуре для капиллярной<br />
хроматографии, отметим, что огромный опыт, накопленный<br />
за 45 лет существования и развития этого метода,<br />
обобщен в целом ряде сборников и монографий как общего<br />
характера, так и посвященных его конкретным приложениям<br />
или частным вопросам анализа определенных групп объектов.<br />
Указывая здесь некоторые из этих книг [403-408], мы вынуждены<br />
признать, что огромное множество публикаций, содержащих<br />
информацию о многих успешных примерах разделения<br />
и анализа смесей различных веществ, выполненных с помощью<br />
капиллярной хроматографии, невозможно рассмотреть в<br />
одной этой книге даже в малой части.<br />
В то же время, авторы видят свою задачу, главным образом,<br />
в том, чтобы показать читателю, каким образом с помощью капиллярных<br />
колонок достигается та высокая эффективность разделения<br />
самых разнообразных соединений, которая и определила<br />
гигантские успехи и самое широкое распространение этого изящного<br />
аналитического метода.<br />
ЛИТЕРАТУРА<br />
1. Golay MJ.E. II Gas chromatography / Ed. VJ. Coates et al. N.Y.: Acad.<br />
press, 1958. P. 1.<br />
2. Supelco Inc. Chromatography catalog, 1994. Bellefonte (Pa.), 1974. 41 p.<br />
3. Колонки для газовой хроматографии: Типы, основные конструкции<br />
и размеры. ГОСТ 16285-74. M., 1974.<br />
4. Кулаков M.В., Шкатов Е.Ф., Ханберг BA. // Газовые хроматографы.<br />
M.: Энергия, 1968. С. 71.<br />
5. Struppe H.-G. H Handbuch der Chromatographic Leipzig: Akad. Verl.<br />
1984. Th. 1. S. 46-140.<br />
319
6. Henneberg D., Henrichs V., Schomburg G. Il J. Chromatogr. 1975.<br />
Vol. 112. P. 344.<br />
7. Grob K., Jr., Muller R. Il Ibid. 1982. Vol. 244. P. 185.<br />
8. Чмутов К.В. Техника физико-химического эксперимента. М.: Госхимиздат,<br />
1954.<br />
9.llkova EL., Mistryukov ЕЛ. // J. Chromatogr. 1971. Vol. 54.<br />
P. 422.<br />
10. Later D.W., Wright B.W., Lee ML. Il J. High Resolut. Chromatogr.<br />
Chromatogr. Commun. 1981. Vol. 4, N 8. P. 406^08.<br />
W.Mitchum R.R., Korfmacher W.A., Mole G.F. I/ Ibid. N 4. P. 80.<br />
12. Capillary systems and accessories. Melburn: S.G.E., 1985.<br />
13. Kaiser R. Chromatographic in der Gasphase. Th. 2. Kapillarchromatographie.<br />
Mannheim: Bibliogr. Inst., 1961.<br />
14. Chromatograph "Chrom-4": Description and instructions. Prague: Peoples<br />
Enterprize "Laboratornye pribory (Laboratory Instruments)", 1968.<br />
15. Chromatograph "Chrom-5"; Description and instructions. Prague: Peoples<br />
Enterprize "Laboratornye pribory (Laboratory Instruments)", 1971.<br />
16. Pat. 32544 479 US, cl. G 01, N 31/08. Publ. 1966.<br />
17. Зуев Б.К., Руденко Б.А., Никифоров ЮЛ. и др. Пат. 98123275 РФ.<br />
23.12.98.<br />
18. Березин Г.И., Сидоров П.Ф., Худяков BJl. и др. Пат. 1133547 СССР.<br />
Заявл. 16.08.83; Опубл. БИ. 1984. № 1. С. 152.<br />
19. Березин Г.И.,Худяков BJI., Сидоров П.Ф.//Журн. физ. химии. 1986.<br />
T. 40, №7. С. 1808-1810.<br />
20. Руденко Б.А., Шоромов Н.П. Пат. 99105925 РФ. Заявл. 01.04.99.<br />
21. Власов АЛ., Жданов В.П., Малахов В.В., Сидельников BH.<br />
Ax. 1459451 СССР. Заявл. 21.11.86.<br />
22. Ефименко АЛ., Науменко И.И., Петров BB. // Полевые аналитические<br />
методы: Tp. V Межрегион, конф., Новосибирск, 8-9 сент., 1998.<br />
Новосибирск: СО РАН, 1998. С. 19.<br />
23. Golay MJ.E. // Gas chromatography, 1960 / Ed. R.P.W. Scott. L.: Inst.<br />
Petrol., 1960. P. 139-161.<br />
24. Власов А.А., Жданов В.П., Малахов В.В., Сидельников В.H. Ax.<br />
1596923 СССР. Заявл. 22.09.89.<br />
25. Грузное В.М., Филоненко В.Г., Чульжанова М.Г. и др. / Полевые<br />
аналитические методы: Tp. V Межрегион, конф., Новосибирск,<br />
8-9 сент., 1998. Новосибирск: СО РАН, 1998. С. 24-27.<br />
26. Грузное В.М., Филоненко В.Г., Шиишарев AJ. II Журн. аналит.<br />
химии. 1999. T. 54, № 11. С. 1134-1140.<br />
27. Грузное В.М., Шиишарев AJ., Филоненко ВТ. и др. // Там же № 9.<br />
С. 957-962.<br />
28. Grob К. H Chromatographia. 1976. Vol. 9, N 10. P. 509-512.<br />
29. Kaiser R. 11 Ibid. 1974. Vol. 7. P. 688.<br />
30. KuckM. Pat. 2821105 FRG. Appl. 03.05.78.<br />
31. Nowicki H.G., Kieda CA., Nakagawa AS. Il J. High Resolut. Chromatogr.<br />
Chromatogr. Commun. 1981. Vol. 4, N 5. P. 236.<br />
32. Hobson-Frohock A., Worts W.H. // Lab. Pract. 1978. Vol. 27. N 6.<br />
p. 474-^76.<br />
320<br />
33. Волков СМ., Горяев В.М., Аникеев В.И., Лазарчук А.В. Ax.<br />
802212 СССР. Заявл. 30.03.79.<br />
34. Grob К., Grob G., Brechbuhler В., Pichler P. // J. Chromatogr. 1981<br />
Vol. 19. P. 643.<br />
35. Smith M.В. //J. Chromatogr. Sci. 1981. Vol. 19. P. 643.<br />
36. Apps P., Pretorius V., Bench W. // J. High Resolut. Chromatogr.<br />
Chromatogr. Commun. 1982. Vol. 5. P. 625.<br />
37. Hudson J., Morgan S. // Ibid. 1981. Vol. 4, N 4. P. 186-187.<br />
38. Muller D., Walter H. // Ibid. 1980. Vol. 3. N 8. P. 411-412.<br />
39. Schroder W., Schillings A., Matz. A. // J. High Resolut. Chromatogr. 1998.<br />
Vol. 21, N 2. P. 125-127.<br />
40. Biederman M., Grob K., Wiedmer M. // J. Chromatogr. 1997. Vol. 764.<br />
P. 65.<br />
4\.Rasemen L, Ojanpera I., Vartiovaara J., Vuori E. // J. High Resolut.<br />
Chromatogr. 1996. Vol. 19. P. 313.<br />
42. Grob K., Schilling B. /IJ. Chromatogr. 1987. Vol. 391. P. 3.<br />
43. D'Amato A., Bicci C, Galli M. // J. High Resolut. Chromatogr. 1989.<br />
Vol. 12. P. 349.<br />
44. Xu B., Hu S. II Ibid. 1992. Vol. 15. P. 775.<br />
45. Breitscheneider W., Werkhoff P. // J. High Resolut. Chromatogr.<br />
Chromatogr. Commun. 1988. Vol. 11. P. 583-589.<br />
46. Кузьменко Т.Е., Самусенко AJI., Уралец В.П., Головня P.В. // Завод.<br />
лаб. 1979. T. 45, № 9. С. 808-810.<br />
47. Meyer T. // J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1980.<br />
Vol. 3, N 7. P. 357-358.<br />
48. Boeksrom P. I I Ibid. N 1. P. 186-187.<br />
49. DestyD.H., GoldupA., WhytnanB.P. Hi. Inst. Petrol. 1959. Vol. 45. P. 429.<br />
50. Brander B. // Analysis. 1979. Vol. 7, N 11. P. 505-509.<br />
51. Brenner N., Ettre L.S. Il Acta chim. Acad. sci. hung. 1961. Vol. 27, N 1/4.<br />
P. 205-214.<br />
52. Handbook of chromatography / Ed. G. Zweig, J. Sherma. Clevelend (Ohio):<br />
CRC press, 1972.<br />
53. Ettre L.S., Averill W. // Anal. Chem. 1961. Vol. 33. P. 680.<br />
54. Ettre L.S., Cieplinski E.W., Brenner N. // Trans. Instrum. Soc. Amer. 1963.<br />
Vol. 2. P. 134.<br />
55. Ettre L.S., Kabot FJ. // Anal. Chem. 1962. Vol. 34. P. 1431.<br />
56. Halacz I., Schneider W. // Ibid. 1961. Vol. 33. P. 978.<br />
57. Clarke D.R. // Nature. 1963. Vol. 198. P. 681.<br />
58. Grob K., Neukon H.P. // J. Chromatogr. 1982. Vol. 236, N 2. P. 297-306.<br />
59. Ettre L.S. Open tubular column in gas chromatography. N. Y.: Plenum press,<br />
1965.<br />
60. Leipnitz W. // Handbuch der Gas-Chromatographie. B.: Akad. Verl., 1984.<br />
Th. 1. S. 141-169.<br />
61. German AL., Horning E.C. IIJ. Chromatogr. Sci. 1973. Vol. 11. P. 76.<br />
62. Bayer E., Liu G.H. // J. Chromatogr. 1983. Vol. 256, N 2. P. 201-212.<br />
63. Grob K., Neukon H.P., Hilling P. // J. High Resolut. Chromatogr.<br />
Chromatogr. Commun. 1981. Vol. 4, N 5. P. 201-208.<br />
64. Poy F., Visani S., Terrosi F. // J. Chromatogr. 1981. Vol. 217, N 1. P. 81.<br />
1 1. Руденко Б.A. T. 1 321
65. German AL., Horning E.C. Il Anal Lett. 1972. Vol. 5. P. 619.<br />
66. Hartigan MJ., Ettre LS. Il J. Chromatogr. 1976. Vol. 119. P. 187.<br />
67. Grob K., Grob K., Jr. // Ibid. 1978. Vol. 151. P. 311.<br />
67. Bruderreck H., Schneider W., Haldsz I. // Gas Chromatogr. 1967. Vol. 5.<br />
P. 217.<br />
69. Fejes P., Engelhardt J., Shay G. Il J. Chromatogr. 1963. Vol. 11.<br />
P. 76.<br />
70. Fejes P., Engelhardt J., Shay G. Il Gas-Chromatographie, 1963 / Ed.<br />
H.-P. Angele, H.-G. Struppe. B.: Akad. Verb, 1963. S. 21.<br />
71. Tenney HM., Harris RJ. Il Anal. Chem. 1957. Vol. 29. P. 317.<br />
72. Bothe HX. Pat. 25506 GDR. Appl. 1963<br />
73. Karl B.H. Pat. 1133924 FRG. Appl. 1963.<br />
74. Schieke J.D., Smuts T.W., Pretorius V. // Separ. Sci. 1968. Vol. 3. P. 27.<br />
75. Haraldson L., Thorneman T. // Microchim. anal. acta. 1963, N 1. P. 14.<br />
76. Kipping RJ., Jeffery P.G. Il Analyst. 1961. Vol. 86. P. 680.<br />
ll.Timms D.G., Konrath HJ., Chirnside R.C. Il Ibid. 1958. Vol. 83.<br />
P. 603.<br />
78. Pratt G.L., PumellJ.H. // Anal. Chem. 1960. Vol. 32. P. 1213.<br />
79. Peterson D.L., Lundberg G.W. // Ibid. 1961. Vol. 33. P. 652.<br />
80. Pine C.S.F. //Talanta. 1967. Vol. 14. P. 277.<br />
Sl.McEwen DJ. //J. Chromatogr. 1962. Vol. 9. P. 266.<br />
82. Karasek F.W., Ayers B.O. Il J. Instrum. Soc. Amer. 1960. Vol. 7. P. 70.<br />
83. Kogler H. H Gas-Chromatographie, 1961 / Ed. M. Schroter, K. Metzner. B.:<br />
Akad.-Verl, 1962. S. 291.<br />
84. Руденко Б.А. А.с. 244698 СССР. Заявл. 1967. Опубл. БИ. 1969. № 18.<br />
85. Литвинов Л Д., Руденко Б.А. Газовая хроматография в медицине и<br />
биологии. M.: Медицина, 1971.<br />
86. Desty D.H., Haresnape J.N., Whyman B.H.F. // Anal. Chem. 1960. Vol. 32.<br />
P. 302.<br />
87. Stanford F.G. /I Analyst. 1959. Vol. 84. P. 321.<br />
88. Jentzsch D., Hovermann W. // J. Chromatogr. 1963. Vol. 11. P. 440.<br />
89. Ettre L.S. Cieplinski E. W., Averill W. // J. Gas Chromatogr. 1963. Vol. 1.<br />
P. 7.<br />
90. Zlatkis A., Walker J. 11 Ibid. P. 9.<br />
91. Schomburg G., Husmann H. Pat. 2631339 FRG. Appl. 13.07.76.<br />
92. Schomburg G., Benlau H., Dielmann R. et al. Il J. Chromatogr. 1977.<br />
Vol. 142. P. 87-102.<br />
93. Grob K., Jr., Grob K. // Ibid. 1978. Vol. 151, N 3. P. 311-320.<br />
94. Hirota K., Takahata J. II Bunseki kagaki =Jap. Analyst. 1979. Vol. 28,Nl.<br />
P. 58-60.<br />
95. RijksJA.,DrozdJ.,NovakJ. //]. Chromatogr. 1979. Vol. 186. P. 167-181.<br />
96. Huynb C.K. H Mitt. Geb. Lebensmitteluntersuch und Hyg. 1980. Bd. 74,<br />
N 4. S. 532-538.<br />
91. Jennings W., Mehran M.F. // J. Chromatogr. Sci. 1986. Vol. 24, N 1.<br />
P. 34-40.<br />
98. Gunther W., Schlegelmilch F. // Lab. Prax. 1986. Vol. 10, N 6. P. 680-686.<br />
99. Mistrykov EA., Korshevetz LK. // J. Chromatogr. 1985. Vol. 322.<br />
P. 206-211.<br />
322<br />
100. Freeman R.R., Augenblick K. // Abstr. Pap. Pittsburgh Conf. on Anal.<br />
Chem. and Appl. Spectroscopy, Atlantic City, NJ. 1980. Pittsburgh (Pa.),<br />
1980. P. 204.<br />
101. RaveyM. /IJ. Chromatogr. Sci. 1981. Vol. 19, N 6. P. 325-328.<br />
102. Schomburg G., Husmann H., Rittmann R. //J. Chromatogr. 1981. Vol. 204.<br />
P. 85-96.<br />
103. Schomburg G., Hausig U., Husmann H. // J. High Resolut. Chromatogr.<br />
1985. Vol. 8, N9. P. 566-571.<br />
104. Beresnev A.N., Morozova OJ. I I Ztschr. anal. Chem. 1992. Bd. 47, N 3.<br />
S. 522-529.<br />
105. Craske JD. // J. Amer. Oil Chem. Soc. 1995. Vol. 72, N 9. P. 995-999.<br />
106. Chauhan J., Darbre A. I/ J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr.<br />
Commun. 1981. Vol. 4, N 6. P. 260-265.<br />
107. Spencer S.F. /I Abstr. Pittsburgh Conf. on Anal. Chem. and Appl.<br />
Spectroscopy, Clevelend, Ohio, 1977. Pittsburgh (Pa.), 1977. P. 167.<br />
108. Spencer. HJ. //J. Chromatogr. 1983. Vol. 1983, N 1. P. 164-167.<br />
109. EyemJ. //Ibid. 1981. Vol. 217. P. 99-107.<br />
110. Grob K., Neukom H.P. // Ibid. 1980. Vol. 189. P. 109-117.<br />
111. Grob /.//Ibid. 1981. Vol. 213, N 1. P. 3-14.<br />
112. Grob K., Jr., RomannA. //Ibid. Vol. 214, N 1. P. 118-121.<br />
113. Grob K., Jr. Il Ibid. 1982. Vol. 253, N 1. P. 17-22.<br />
114. Grob K., Jr. H Ibid. 1983. Vol. 260. P. 265-275.<br />
115. Grob K., Jr. Il Ibid. 1984. Vol. 283. P. 21-35.<br />
116. Grob K., Jr. Il Ibid. 1985. Vol. 324. P. 251.<br />
117. Grob K., Jr. II Ibid. 1982. Vol. 237, N 1. P. 15-24.<br />
118. Pretorius V., Lawson K.H., Apps PJ., Bench W. // Ibid. 1983. Vol. 279.<br />
P. 233-240.<br />
119. Grob K.,Jr. II Ibid. 1984. Vol. 287. P. 1.<br />
120. Grob K., Jr., Neukom H.P. // Ibid. 1985. Vol. 323. P. 237-246.<br />
121. Saravalle CA., Munari F., Trestianu S. II Ibid. 1983. Vol. 279.<br />
P. 241-250.<br />
122. Drissen 0., Lugtenberg J. I I J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr.<br />
Commun. 1980. Vol. 3. P. 403.<br />
123. Drissen 0., Emonds A., Lugtenberg J. // J. Chromatogr. 1982. Vol. 234.<br />
P. 313.<br />
124. Wang F.S., Shanfield H., Zlatkis A. // J. High Resolut. Chromatogr.<br />
Chromatogr. Commun. 1982. Vol. 5. P. 562.<br />
125. Knauss W.G., FullemanJ., Turner M.P. //Ibid. 1981. Vol. 4. P. 641.<br />
126. Grob K., Jr. H J. Chromatogr. 1983. Vol. 279. P. 225-232.<br />
127. Grob K., Jr., Shilling B. // Ibid. Vol. 264. P. 7-18.<br />
128. Grob K., Jr. II Ibid. 1984. Vol. 301. P. 1.<br />
129. Sandra P., Van Roelenbosch M., Verzele M., Bichi C. Il Ibid. 1983.<br />
Vol. 279. P. 279-286.<br />
130. Sandra P., Schelfaut M., Verzele M. // J. High Resolut. Chromatogr.<br />
Chromatogr. Commun. 1982. Vol. 5. P. 50.<br />
131. Schomburg G., Husmann H., Behlan H., Schultz F. // Ibid. 1983. Vol. 279.<br />
P. 251-258.<br />
132. Schomburg G., Husmann H., Schulz F. et al. // Ibid. P. 259-267.<br />
11* 323
133. Stalling D.L., Johnson J.L., Crowell O.F., Petty J.D. // Abstr. Pap.<br />
Pittsburgh Conf. on Anal. Chem. and Appl. Spectroscopy, Atlantic City,<br />
N. J. 1980. Pittsburgh (Pa.), 1980. P. 112.<br />
134. Vogt W., Jacob K., Obweker H.W. Il J. Chromatogr. 1979. Vol. 174.<br />
P. 437^39.<br />
135. Williams HJ., Vinson S.B. // J. Chem. Ecol. 1980. Vol. 6. P. 973-<br />
978.<br />
136. Hiltunen A., Laakso 1., Hovinen S., Derame J. // J. Chromatogr. 1982.<br />
Vol. 237, N 1. P. 41-48.<br />
137. Geeraert E., Sandra P., De Schepper D. // Ibid. 1983. Vol. 279.<br />
P. 287-295.<br />
138. CorkillJA., Giese R.W. // Anal. Chem. 1981. Vol. 53. P. 1667.<br />
139. CorkillJA.,Giese R.W. //]. Chromatogr. 1982. Vol. 238, N 1. P. 133-141.<br />
140. Fogelqvist E., Josefsson B., Roos C. Il Environ. Sci. Technol. 1982.<br />
Vol. 16. P. 479^182.<br />
\A\. Fogelqvist E., Larsson M. // J. Chromatogr. 1983. Vol. 279. P. 297-<br />
306.<br />
142. Grob K., Grob J. II J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun.<br />
1981. Vol. 4. P. 491-494.<br />
143. Гуревич AJI., Русинов Л.А., Сягаев НА. Автоматический хроматографический<br />
анализ. Л.: Химия, 1980.<br />
144. Voght W., Jacob K., Ohnesorge A., Obwexer H.W. // J. Chromatogr. 1979.<br />
Vol. 186. P. 197-205.<br />
145. Yang FJ., Brown A.C., Cram S.P. Il Abstr. Pap. 29th Pittsburgh Conf. on<br />
Anal. Chem. and Appl. Spectroscopy, Clevelend, Ohio, 1978. Monroeville<br />
(Pa.), 1978.<br />
146. Morton CE., Roberts DJ., Cooke M. 11 J. Chromatogr. 1983. Vol. 280,<br />
N LP. 119-123.<br />
147. Purcell J.E., Ettre E.S. Il J. Gas Chromatogr. 1966. Vol. 4. P. 23.<br />
148. Snyder R.E. //J. Chromatogr. Sci. 1971. Vol. 9. P. 638.<br />
149. Novotny N., Lee H.L. // Experientia. 1973. Vol. 29. P. 1038.<br />
150. Williams F.F., Umstead H.E. // Anal. Chem. 1968. Vol. 40. P. 2232.<br />
151. RushneckD.R. //J. Gas Chromatogr. 1965. Vol. 3. P. 319.<br />
152. Руденко Б.А., Смирнова Г.И. II Журн. аналит. химии. 1971. T. 30,<br />
№6. С. 1191.<br />
153. Bartle К. D., Bergstedt L., Novotny M., Widmark G. Il J. Chromatogr.<br />
1969. Vol. 45. P. 256.<br />
154. Fornasiero U., Quiotto A., Caparale G. et al. // Gazz. chim. ital. 1979.<br />
Vol. 99. P. 700.<br />
155. Stallberg-Stenhagen S. II Chem. scr., 1972. Vol. 2. P. 97.<br />
156. lssenberg P., Kobayashi A., Mysliwy TJ. I/ J. Agr. Food Chem. 1969.<br />
Vol. 17. P. 1377.<br />
157. Sistig G., GaIH M., Trestiani S., Grob K. // Abstr. Pap. Pittsburgh Conf. on<br />
Anal. Chem. and Appl. Spectroscopy, Atlantic City, N.J. 1980. Pittsburgh<br />
(Pa.), 1980. P. 221.<br />
158. Rodriguez P.D., Eddy CL., Ridder GM., Culbertson CR. // J.<br />
Chromatogr. 1982. Vol. 236, N 1. P. 39^19.<br />
159. Palmer R.C II Control Eng. 1961. Vol. 8. P. 121.<br />
324<br />
160. Hoomeijer J., Kwantes A., Van de Graats F. // Gas chromatography, 1958<br />
/ Ed. D.H. Desty. L.: Butterworths, 1958. P. 288. Рус. пер. в кн.: Газовая<br />
хроматография. M.: Изд-во иностр. лит., 1961. С. 266.<br />
161. Phillips T.R., Owens D.R. /I Gas chromatography, 1960 / Ed. R.P.W. Scott.<br />
L.: Butterworths, 1960. P. 197. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография.<br />
M.: Мир, 1964. С. 396.<br />
162. Grob К. Il Anal. Chem. 1994. Vol. 66, N 20. P. А1009-А1019.<br />
163. Sample introduction in capillary gas chromatography / Ed. P. Sandra.<br />
Heidelberg: Hiithig, 1985. 279 p.<br />
164. Jennings V., Rapp A. Sample preparation for gas chromatographic analysis.<br />
Heidelberg: Htithig, 1983. Рус. пер.: Подготовка образцов для газо-хроматографического<br />
анализа. M.: Мир, 1986. 166 с.<br />
165. High resolution gas chromatography / Ed. K.J. Hyver. Norwalk (Conn.):<br />
Hewlett-Packard, 1989. Рус. пер.: Высокоэффективная газовая хроматография.<br />
M.: Мир, 1993. 288 с.<br />
166. Rood D. Il Practical guide to the maintenance and troubleshoting of capillary<br />
gas chromatographic systems. Heidelberg: Hiithig, 1998. P. 323.<br />
167. Kaiser R. Chromatographic in der Gas-Phase. Th. 4. Quantitative analysis.<br />
Mannheim: Bibliogr. Inst., 1965.<br />
\ 6%. Novak J. Quantitative analysis by gas chromatography. N.Y.: Dekker,<br />
1975.<br />
169. Андреев Л.В., Афанасьев М.И., Чаброва О.Г., Вигдергауз M.С. // Успехи<br />
химии. 1965. T. 34, № 5. С. 920.<br />
170. Бражников В.В. Дифференциальные детекторы в газовой хроматографии.<br />
M.: Наука, 1973. 223 с.<br />
171. Сакодынский К.И., Бражников В.В., Волков CA., Зельвенский<br />
Ю.А. Приборы для хроматографии. M.: Машиностроение,<br />
1987. 261 с.<br />
172. McWilliam LG., DewarR.A.II Nature. 1958. Vol. 181. P. 760.<br />
173. Ongkiehong L. // Gas chromatography, 1960 / Ed. R.P.W. Scott. L.:<br />
Butterworths, 1960. P. 3. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография. M.:<br />
Мир, 1964. С. 15.<br />
174. BocekP., JanakJ./l Chromatogr. Rev. 1971. Vol. 15. P. 111.<br />
175. Chromatography: Fundamentals and application of chromatographic and<br />
electrophoretic methods / Ed. A. Heftmann. Amsterdam: Elsevier, 1983.<br />
176. McNair HM., Bonelli EJ. Basic gas chromatography. Oakland (Calif.):<br />
Consolid. Printers, 1967. Рус. пер.: Введение в газовую хроматографию.<br />
M.: Мир, 1970. 278 с.<br />
177. Buffington R., Wilson MK. Detektoren fur die Gaschromatographie.<br />
Norwalk (Conn.): Hewlett-Packard, 1989. Рус. пер.: Детекторы для газовой<br />
хроматографии. M.: Мир, 1993. 79 с.<br />
178. Quantitative analysis using chromatographic techniques / Ed. E. Katz.<br />
N.Y.: Wiley, 1987.<br />
179. Другое Ю.С, Конопелъко ЛА. Газохроматографический анализ газов.<br />
M.: МОИМПЕКС, 1995. 464 с.<br />
180. Ротин BA. Радиоионизационное детектирование в газовой хроматографии.<br />
M.: Атомиздат, 1974. 160 с.<br />
181. Lovelock J.E. // Nature. 1958. Vol. 181. P. 1462.<br />
325
182. Lovelock J.E. //J. Chromatogr. 1958. Vol. 1:. P. 35.<br />
183. Озинарер CH., Газиев ГЛ., Яновский М.И.. Корняков B.C. Il Завод.<br />
лаб. 1959. T. 25, № 8. С. 760.<br />
184. MatouSek S. II Chem. prum. 1960. Vol. 10. P. 16.<br />
185. Condon RD., Scholly P.R, Averill W. // Gas chromatography, 1960 / Ed.<br />
R.P.W. Scott. L.: Butterworths, 1960. P. 134. Рус. пер. в кн.: Газовая<br />
хроматография. M.: Мир, 1964. С. 45.<br />
186. YamaneM. //J. Chromatogr. 1962. Vol. 9. P. 162; 1963. Vol. 11. P. 158.<br />
187. Руденко Б.А., Метляева С.Я. Il Завод, лаб. 1969. T. 35. С. 156.<br />
188. Shanin MM., Lipsky S.R. Il Anal. Chem. 1963. Vol. 35. P. 467.<br />
189. Bothe HK., Leonhardt J. Il J. Chromatogr. 1965. Vol. 19. P. 1.<br />
190. Berry R. // Gas chromatography / Ed. N. Brenner et al. N.Y.; L.: Acad.<br />
press, 1962. P. 68.<br />
\9\. Bourke PL., Dawson R.W., Denton W.H. /IJ. Chromatogr. 1964. Vol. 14.<br />
P. 387.<br />
192. Golay M.J.E. // Gas chromatography, 1958 / Ed. D.H. Desty. L.:<br />
Butterworths, 1958. P. 36. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография. M.:<br />
Изд-во иностр. лит., 1961. С. 39.<br />
193. Dijkstra G., De GoeyJ. // Ibid. P. 56. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография.<br />
M.: Изд-во иностр. лит., 1961. С. 61.<br />
194. Condon R.D. /I Proc. of Second Eastern Anal. Symp. N.Y., 1960.<br />
195. Puree UJ. E. Il Nature. 1964. Vol. 201. P. 1321.<br />
196. Нориков Ю.Д. Il Завод, лаб., 1956. T. 22, № 1. С. 28.<br />
197. Canin DL., King R.W., Shawnan S.D. Il Anal. Chem. 1964. Vol. 36.<br />
P. 1175.<br />
198. Petrocelli JA. /I Ibid. 1963. Vol. 35. P. 2220.<br />
199. Rodel E. ACHEMA, European Convention of Chem. Eng. Frankfurt a. M.,<br />
1964.<br />
200. Mohnke M., Saffert W. // Chem. Technol. 1961. Vol. 13. P. 685.<br />
201. Schwartz R.D., Brasseaux DJ., Shoemake G.R. Il J. Gas Chromatogr.<br />
1963. Vol. LP. 32.<br />
202. Wells G., Simon R. // J. Chromatogr. 1983. Vol. 256, N 1. P. 1-15.<br />
203. Фарзане А.Д. Il Журн. аналит. химии. 1997. T. 52, № 11. С. 832.<br />
204. Messaros D.W., Law CE., Kolloff R.H. et al. // 20th Intern. Symp.<br />
"Advances in chromatography". N.Y., 1984.<br />
205. Martin AJ.P., James AJ. // Biochem J. 1956. Vol. 63, N 1. P. 138-143.<br />
206. Kiran E., Gillham JK. // Anal. Chem. 1975. Vol. 47. P. 983.<br />
207. Kiran E. // J. Chromatogr. 1983. Vol. 280, N 2. P. 201-218.<br />
208. Piringer 0., Pascalau M. Il Ibid. 1962. Vol. 8. P. 410.<br />
209. Piringer 0., Tataru E., Pascalau M. // J. Gas Chromatogr. 1964. Vol. 2.<br />
P. 104.<br />
210. Piringer 0., Pascalau M., Tataru E. // Gas-Chromatographie: Vortr. V.<br />
Symp. iiber Gas-Chromatographie, Berlin, Mai, 1965. B.: Akadem.-Verl.,<br />
1965. S. 413-424.<br />
211. Piringer 0.,WoIfE. // J. Chromatogr. 1984. Vol. 254. P. 373-380.<br />
212. Lovelock J.E., Lipsky S.R. //J. Amer. Chem. Soc. 1960. Vol. 82. P. 431.<br />
213. Lovelock J.E. // Nature. 1961. Vol. 189. P. 729.<br />
214. Taylor D.F., Peters UJ., SchmitJ. Pat. 3566107 US. Appl. 1971.<br />
326<br />
215. Aue W.A., Siu K.W.M. //J. Chromatogr. 1982. Vol. 239. P. 127-144.<br />
216. Evrard E., Razzouk C, Roberfroid M. et al. // Ibid. 1978 Vol 161<br />
P. 97-102.<br />
217. Brotell H., Ahnfelt N.0., Ehrsson H., Eksborg S. Il Ibid. 1979 Vol 176<br />
N 1. P. 19-24.<br />
218. GrimsrudE.P., Connolly MJ. //Ibid. 1982. Vol. 239. P. 397-410.<br />
219. DevouxP., Guiochon G. IIJ. Chromatogr. Sci. 1970. Vol. 8. P. 502.<br />
220. Connolly MJ., Knighton W.B., Grimsrud E.P. // J. Chromatogr. 1983<br />
Vol. 265. P. 145-157.<br />
221. Lovelock J.E., Gregory NL. // Gas chromatography / Ed. N. Brenner et al<br />
N.Y.: Acad, press, 1962. P. 219.<br />
222. Zlatkis A. I I Ibid. P. 229.<br />
223. Campbell J.A., Grimsrud E.P. // J. Chromatogr. 1982. Vol. 243, N 1<br />
P. 1-8.<br />
224. Goldam P.D., Fehsenfeld F.C, Phillips M.P. // Ibid. Vol. 239. P. 115-126.<br />
225. Goldam P.D., Fehsenfeld F.C., Kuster W.C. et al. Il Anal. Chem. 1980<br />
Vol. 52. P. 1751-1754.<br />
226. Sievers R.E., Phillips M.P., Barkley R.M. et al. // J. Chromatogr. 1979<br />
Vol. 186. P. 3-14.<br />
227. Phillips M.P., Sievers R.E., Goldam P.D. et al. Il Anal. Chem. 1979<br />
Vol. 51. P. 1819-1825.<br />
228. Wisner M.A., Singhawangcha S., Barkley R.M., Sievers R.E. // J.<br />
Chromatogr. 1982. Vol. 239. P. 145-157.<br />
229. Bachmann K., Emig W., Rudolph J., Tsotsos D. // Chromatographia. 1977<br />
Vol. 10, N 11. P. 684-686.<br />
230. HP 6890. Micro-ECD information Bulletin. Norwalk (Conn.): Hewlett-<br />
Packard, 1997.<br />
231. Sullivan JJ., Dandeneau R.D. // Abstr. Pap. Pittsburgh Conf. on Anal.<br />
Chem. and Appl. Spectroscopy, Atlantic City, N.J. 1980. Pittsburgh (Pa.)<br />
1980. P. 38.<br />
232. Neukermans A., Kruger W., McManigill D. // J. Chromatogr. 1982<br />
Vol. 235, Nl. P. 1-20.<br />
233. Schwartz D.F., Allen C // Ibid. 1981. Vol. 208, N 1. P. 55-59.<br />
234. Krahmer UT., Lier J.G., Lyman KJ. et al. // Anal. Biochem. 1977.<br />
Vol. 82, N 1. P. 217-225.<br />
235. Osman M., Hill H.M., Jr., Holdren M., Westberg H. // J. Chromatogr<br />
1979. Vol. 186. P. 273-284.<br />
236. Murray S., Baillie T.A. I I Biomed. Mass Spectrom. 1979. Vol 6 N 2<br />
P. 82-89.<br />
237. Ahuja S. //J. Pharm. Sci. 1976. Vol. 65, N 2. P. 163-182.<br />
238. Handbook of Derivatives for chromatography // Ed. K. Blau, G.S. King<br />
L.: Hayden, 1978.<br />
239. Poole CF., Sye W.F., Singhawangcha S. et al. // J. Chromatogr. 1980.<br />
Vol. 199. P. 123-142.<br />
240. Nerin C, Cacho J., Tomes A.R., Echarri I. // J. Chromatogr. A. 1994<br />
Vol. 672. P. 159-165.<br />
24\.RosiekJ., LasaJ., SHvka I. //J. Chromatogr. 1983. Vol. 280. P. 1-14.<br />
242. Aue W.A., Hill H.H., Jr. // J. Chromatogr. Sci. 1974. Vol. 12. P. 541.<br />
327
243. Osman MA., Hill Н.Н., Jr. // J. Chromatogr. 1983. Vol. 264. P. 149-154.<br />
244. Roberts J.E., Hill H.H., Jr. Il Ibid. 1979. Vol. 176, N 1. P. 1-9.<br />
245. Tsuchiya M., Taira T., Toyoura J. // Bunseki kagaku, 1980. Vol. 29, N 9.<br />
P. 632-637.<br />
246. Karmen A., Giuffrida L. I I Nature. 1964. Vol. 201. P. 1204.<br />
247. Karmen A. //J. Gas Chromatogr. 1965. Vol. 3. P. 336.<br />
248. De Loach H.K., Hemphill D.D. // J. Assoc. Offic. Anal. Chem. 1969.<br />
Vol. 52. P. 533.<br />
249. Brazhnikov V.V., Guryev M.V., Sakodynsky K.I. II Chromatogr. Rev. 1970.<br />
Vol. 12. P. 1.<br />
250. CoeradR., Smith P. // J. Chromatogr. 1971. Vol. 61, N 2. P. 329-333.<br />
251. Craven DA. // Anal. Chem. 1970. Vol. 42, N 13. P. 1679.<br />
252. Dressier M., Martinu V., Janak J. I I J. Chromatogr. 1971. Vol. 59, N 2.<br />
P. 429-433.<br />
253. Nowak A.V., Malmstadt H.V. // Anal. Chem. 1968. Vol. 40, N 6.<br />
P. 1108-1113.<br />
254. Gough TA., Sugden K. //J. Chromatogr. 1973. Vol. 86, N 1. P. 65-71.<br />
255. Hein H. // Chem. Lab. und Betrieb. 1974. Bd. 25, N 8. S. 352.<br />
256. Pigliucci R., Averill W., PurcellJ.E., Ettre L.S. Il Chromatographia, 1975.<br />
Vol. 8, N4. P. 165.<br />
256. Пошеманскии BM. и др. А.с. 566178 СССР.<br />
258. Brazhnikov B.V., Poshemansky VM., Sakodynsky K.I., Cherniakin V.N. //<br />
J. Chromatogr. 1979. Vol. 175. P. 21.<br />
259. Conte E.D., Barry E.F. // Ibid. 1983. Vol. 279. P. 657.<br />
260. Руденко Б.А., Ленчик H.В., Джабаров Д.H. II Журн аналит. химии.<br />
1986. T. 41, №8. С. 1101-1106.<br />
261. Руденко Б.А., Ленчик Н.В., Джабаров Д.Н., Пошеманскии BM. //<br />
Фармация. 1986. T. 36, № 5. С. 34-37.<br />
261. Rudenko В.A., Lenchik N.V., Dzhabarov D.N. Il J. Chromatogr. 1986.<br />
Vol. 364. P. 364-369.<br />
262. Zimmermann V., Altmann F., Kraus G. Il Chem. Technol. (Leipzig). 1980.<br />
Bd. 32. S. 644-647.<br />
263. Snijders H., Janssen H.-G., Cramers C. Il J. Chromatogr. A. 1996.<br />
Vol. 732. P. 51-61.<br />
264. Brinkman J.H., Van Dijk A.G., Wagenaar R., Quirijns J.C. Il Ibid.<br />
Vol. 723. P. 355-360.<br />
266. Karmen A. // Anal. Chem. 1964. Vol. 36. P. 1416.<br />
267. Brody S.S., Chaney J.E. I IJ. Gas Chromatogr. 1966. Vol. 4. P. 42.<br />
268. Bowman M., Beroza C, Marton J. // J. Assoc. Offic. Anal. Chem. 1967.<br />
Vol. 50. P. 1228.<br />
269. Bowman M., Beroza C. // J. Chromatogr. Sci. 1969. Vol. 7. P. 484; 1971.<br />
Vol. 9. P. 44, 162.<br />
270. Moshier R., Sievers R. Gas chromatography of metal chelates. N.Y.:<br />
Wiley, 1966. Рус. пер.: Газовая хроматография хелатов металлов.<br />
M.: Мир, 1967.280 с.<br />
21\.Jacquelot P., Thomas G. // Bull. Soc. chim. France. 1973, N 4. P. 1261.<br />
272. Sapiykin Yu. A., Golovko BM., Pazdeskii YA. Il I. Chromatogr. 1982.<br />
Vol. 246, N 1. P. 51-56.<br />
328<br />
273. Pedersen-Bjergaard S., Greibrock T. // Anal. Chem. 1993. Vol. 65.<br />
P. 1998.<br />
274. Anon. IIJ. Microcol. Sep. 1994. Vol. 6. P. 11.<br />
275. Anon. Il ]. Chromatogr. A. 1994. Vol. 686. P. 109.<br />
276. Pedersen-Bjergaard S., Semb S.I., Brevik EM., Greibrokk T. // Ibid. 1996.<br />
Vol. 723. P. 337-347.<br />
211. Asp T.N., Pedersen-Bjergard S., Greibrokk T. // Ibid. Vol. 736.<br />
P. 157-164.<br />
278. Быховский Н.Я., Брауде А.Ю., Горовой Б.М., КацисЛ.Ф. // Химия и<br />
технология топлив и масел. 1984. N 5. P. 34-35.<br />
279. Chakraborti D., De Jonghe W.R.A., Van MoI W.E. et al. // Anal. Chem.<br />
1984. Vol. 56. P. 2692-2697.<br />
280. Identification of potential organophosphorous warfare agents / The<br />
Ministry for Foreign Affairs of Finland. Helsinki, 1979, 1980.<br />
281. Systematic identification of chemical warfare agents / The Ministry for<br />
Foreign Affairs of Finland. Helsinki, 1982, 1983.<br />
282. D'Agostino PA., Hansen A.S., Lockwood P.A., Provost LP. // J.<br />
Chromatogr. 1985. Vol. 347. P. 257-266.<br />
283. Поздняк Т.И.,Лисицын ДМ., Новиков Д.Д. и др. // Высокомолекуляр.<br />
соединения. 1976. С. 320.<br />
284. Разумовский С.Д., Братников EM., Лисицын ДМ. и др. А.с. 257125<br />
СССР. Заявл. 1968; Опубл. БИ. 1969.<br />
285. Bruening W., Concha FJM. //J. Chromatogr. 1975. Vol. 112. P. 253.<br />
286. Kelly TJ., Gaffney J.S., Phillips M.F., Tanner R.L. // Anal. Chem. 1983.<br />
Vol. 55. P. 135.<br />
287. Kummar W.A., Pitts J.N., Jr., Steer R.P. // Environ. Sci. Technol. 1971.<br />
Vol. 5. P. 1045.<br />
288. Caffney J., Spandau DJ., Kelly TJ., Tanner R.L. Il J. Chromatogr. 1985.<br />
Vol. 347, N l.P. 121-127.<br />
289. Sulfur chemiluminescence detector SCD 350B. Boulder (Colo.): Sievers<br />
Research, 1990.<br />
290. Руденко Б.А., Савчук CA., Золотова М.Ю. // Tp. XV Менделеев.<br />
конгр. по об. и прикл. химии, Минск, 24-29 мая, 1993. Минск: Наука<br />
и техника, 1993. T. 4. С. 158-159.<br />
291. Руденко Б.А., Савчук CA., Бродский Е.С., Сойфер B.C. // Журн.<br />
аналит. химии. 1995. T. 50, № 11. С. 1181-1187.<br />
292. Fine D.H., Rufeh F., Lieb D., Rounbehler D.P. // Anal. Chem. 1975.<br />
Vol. 47, N7, 1188-1191.<br />
293. Fine D.H., Lieb D., Rounbehler D.P. Pat. 3996008 US. Appl. 17.08.75;<br />
Publ. 7.12.76.<br />
294. Fine D.H., Rounbehler D.P., Sennrisinna P. I I J. Agr. Food Chem. 1976.<br />
Vol. 24, N 6. P. 980-984.<br />
295. Food and environment analysis by capillary gas chromatography // Ed.<br />
L. Matter. Oxford: Hiithig, 1997.<br />
296. Chamberlain WJ., Arrendale R.F. //J. Chromatogr. 1982. Vol. 234, N 2.<br />
P. 478-481.<br />
297'. Severson R.F., Arrendale R.F., Chortyk OJ. // J. High Resolut.<br />
Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1980. Vol. 3. P. 1.<br />
329
298. Takami К., Окитига Т., Sugimae A., Nakamoto M. // Jap. Analyst. 1987.<br />
Vol. 36. P. 143.<br />
299. Бражников В.В., Орлова B.C., Субботин В.П. // Исследование хроматографических<br />
процессов / Ред. К.И. Сакодынский. M.: Физ.-<br />
хим. ин-т. им. Л.Я. Карпова, 1982. С. 72.<br />
300. MasseyR.C, Crews С, McWeeny J. //J. Chromatogr. 1982. Vol. 241, N 2.<br />
P. 423-427.<br />
301. Kataoka H., Shindoh S., Makita M. // J. Chromatogr. A. 1996. Vol. 723.<br />
P. 93-99.<br />
302. YamadaM., IshiwaA., Hobo T. et al. //J. Chromatogr. 1982. Vol. 238, N 2.<br />
P. 347-356.<br />
303. Yamane M. // Ibid. 1964. Vol. 14. P. 355.<br />
304. RoslekJ., Gukowcki W., Lasa S. // Chem. Anal. 1976. Vol. 21. P. 1251.<br />
305. Kavadsoe K., Kamo T., Takata E., Sikami N. // Bunseku kagaku. 1985.<br />
Vol. 34. P. 309.<br />
306. Спивак H.A. Il Журн. аналит. химии. 1982. T. 37. С. 759.<br />
307. Lovelock S.E. // Nature. 1960. Vol. 186. P. 401.<br />
308. Roesler S. // Anal. Chem. 1964. Vol. 36. P. 1900.<br />
309. Locke D.C., Meloan Y.E. // Ibid. 1965. Vol. 37. P. 389.<br />
310. Price Y.C.W., Fenimor D.C., Simmonds P.G., Zlatkis A. // Ibid. 1968.<br />
Vol. 40. P. 541.<br />
311. Freeman R.R., Wentworth W.E. Il Ibid. 1971. Vol. 43. P. 1987.<br />
312. Jin Q., Yang G., Guo Z., Lio J. // Microchem J. 1987. Vol. 35.<br />
P. 281.<br />
313. Sevdic J., Krysl S. Il Chromatographia. 1974. Vol. 6. P. 375.<br />
314. Ostojic N., Sternberg Z. // Ibid. 1974. Vol. 7. P. 3.<br />
315. Driscoll J.N., Ford S., Jaramillo I. et al. Il Amer. Lab. 1978. Vol. 10.<br />
P. 137.<br />
316. LanghorstM.l. //J. Chromatogr. Sci. 1981. Vol. 19. P. 98.<br />
317. Jaramillo 1., Driscoll J.N., Atwood E.S. et al. Il Abstr. Pap. Pittsburgh<br />
Conf. and Expos. Anal. Chem. and Appl. Spectroscopy, Atlantic City, NJ.<br />
1982. Pittsburgh (Pa.), 1982. N 477.<br />
318. Nutmagul W., Cronn D.R., HillH.H. //Anal Chem. 1983. Vol. 55. P. 2160.<br />
319. Wentworth W.E., Tishbee A., Batten CF., Zlatkis A. /IL Chromatogr.<br />
1975. Vol. 112. P. 229.<br />
320. Kapila S., Borhop DJ., Manaham S.E., Nichell GL. // Ibid. 1985.<br />
Vol. 259. P. 205.<br />
321. Meili J., Bronniman P., Brechbiihler B. et. al. // J. High Resolut.<br />
Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1979. Vol. 2. P. 475.<br />
322. Berg 5., Jonsson A. Il Ibid. 1984. Vol. 7. P. 687.<br />
323. Jonsson A., Berg S. Il J. Chromatogr. 1983. Vol. 279. P. 307.<br />
324. Riggin RM., Cole T.F., Billets S. Il Anal. Chem. 1983. Vol. 55. P. 1862.<br />
325. Amin T.A., Narang R.S. Il Ibid. 1985. Vol. 57. P. 648.<br />
326. Kopczmsky SL. Ц Anal. Lett. 1984. Vol. 17. P. 97.<br />
327. KmIl IS., Swam M., Driscoll J.N. I/ Ibid. Vol. 17. P. 2364.<br />
328. KrullIS., Swam M., Driscoll J.N. // Ibid. 1985. Vol. 18. P. 2619.<br />
329. Norlander B., Carlsson B., Bertler A. // J. Chromatogr. Biochem. Appl.<br />
1986. Vol. 375. P. 313.<br />
330<br />
330. Будович BJI., Шляхов А.Ф. II Успехи химии. 1989. T. 58, № 8.<br />
С. 1354-1383.<br />
331. Man G.V. Photoionization process in gases. N.Y.: Acad, press, 1968.<br />
332. Matacha M., Smolkova E. // J. Chromatogr. 1976. Vol. 127. P. 163.<br />
333. Roberts T.R. Radiochromatography. Amsterdam: Elsevier, 1978. Рус.<br />
пер.: Радиохроматография. М.: Мир, 1981.<br />
334. Conder J.P., Young CL. Physico-chemical measurements by gas chromatography.<br />
N.Y.: Wiley, 1979. 651 p.<br />
335. Matucha M. // Radioisotopy. 1980. Vol. 21, N 5. P. 609-683.<br />
336. Kiricsi L, Varga K., Fejes P. // J. Chromatogr. 1976. Vol. 123, N 2.<br />
P. 279-286.<br />
337. Weber H., Holler M., Breuer H. // Ibid. 1982. Vol. 235, N 2. P. 523-526.<br />
338. Rodriguez P.A., Culvertson CR., Eddy CL. // Ibid. 1983. Vol. 264.<br />
P. 393^104.<br />
339. Bruner F., Cartoni G.P., Possanzini M. // Anal. Chem. 1969. Vol. 41.<br />
P. 1122.<br />
340. Gross D., Gutekunst H., Blaser A., Hambock H. // J. Chromatogr. 1980.<br />
Vol. 198, N 4. P. 389-396.<br />
341. Coffey P., Mattson D.R., Wright J.C // Amer. Lab. 1978. Vol. 10, N 5.<br />
P. 126-132.<br />
342. Gomer-Taylor MM., Griffits P.R. Il Anal. Chem. 1978. Vol. 50, N 3.<br />
P. 422-425.<br />
343. Shafer K.H., Bjorseth A., Tabor J., Jakobsen RJ. Il J. High Resolut.<br />
Chromatogr. Chromatogr. Commun., 1980. Vol. 3, N 2. P. 87-88.<br />
344. Griffiths P.R. I/ Anal. Appl. FT-IR MoI. and Biol. Syst.: Proc. NATO Adv.<br />
Study Inst., Florence, 1979. Dordrecht: Kliiwer, 1980. P. 149-155.<br />
345. Montag P. Il Intern. Sympos. on Instrum. Anal. Chem. and Comput.<br />
Technol. "InCom 98", Dusseldorf, Germany, Mar. 23-30, 1998. Dusseldorf,<br />
1998. P. 269.<br />
346. Durrant K., McLean W.R. // Lab. Equip. Dig. 1973. Vol. 11, N 4.<br />
P. 156-160.<br />
347. McLean W.R., Stanton DL., Penketh G.E. // Analyst. 1973. Vol. 98,<br />
N 1167. P. 432-442.<br />
348. Serravallo F.A., Risby Т.Н. // J. Chromatogr. Sci. 1974. Vol. 12, N 10.<br />
P. 585-591.<br />
349. OhIs K., Sommer D. // ICP Inform. Newslett. 1980. Vol. 6, N 7.<br />
P. 377-378.<br />
350. Quan X., Sun C, Gfrerer M. et al. // 23rd Intern. Symp. on Capillary<br />
Chromatogr., Riva del Garda, Italy, June 5-10, 2000. Riva del Garda,<br />
2000. P. 14.<br />
351. Брицке M. Атомно-абсорбционный спектрохимический анализ. М.:<br />
Химия, 1982. 223 с.<br />
352. EnqvistJ. Identification of non-phosphorous warfare agents/The Ministry<br />
of Foreign Affairs of Finland. Helsinki, 1982.<br />
353. Александров В.Н., Емельянов В.И. Отравляющие вещества. M.: Boениздат,<br />
1990. 399 с.<br />
354. D'Agostino P.A., Provos L.P. Identification of compounds in mustard<br />
hydrolysate, Canada: DRESSR-488. Ottawa, 1988.<br />
331
355. Kurata H. // Chemical weapons: Destruction and Conversion. L.: Taylor<br />
and Francis, 1980. 201 p.<br />
356. Somany S.M. Chemical warfare agents. San Diego: Academic, 1992.<br />
357. Kaiser R. Chromatographic in der Gasphase. Th. 4. Quantitative<br />
Auswertung. Mannheim: Bibliogr. Inst. 1975.<br />
358. Jentzsch D., Otte E. Detectoren in der Gas-Chromatographie. Frankfurt a.<br />
M.: Akad.-Verl. 1970.<br />
359. David D. Gas Chromatographic Detectors. N.Y.: Wiley, 1974.<br />
360. Oehme M. Gas-chromatographische Detectoren. Heidelberg: Hiithig,<br />
1982.<br />
361. Henneberg D., Schomburg G. // Gas chromatography, 1962 / Ed. M. van<br />
Swaay. L.: Butterworths, 1962. P. 191.<br />
362. DorseyJA., HuntR.H., O'Neal MJ. //Anal. Chem. 1963. Vol. 35. P. 511.<br />
363. Watson J.T., Biemann K. 11 Anal. Chem. 1964. Vol. 36. P. 1135.<br />
364. Horning E.C, Carroll D.1., Dzidic I. et al. Il J. Chromatogr. Sci. 1974.<br />
Vol. 12. P. 630.<br />
365. Sato T., Takimoto S., Kohsaka I., Nagayanagi Y. // Shimadzu Rev. 1979.<br />
Vol. 36, N3/4. P. 101-109.<br />
366. Jones T. Il Abstr. Pap. Pittsburgh Conf. Anal. Chem. and Appl.<br />
Spectroscopy, Atlantic City, NJ. 1980. Pittsburgh (Pa.), 1980. P. 48.<br />
367. Кристалл-2000М: Проспект /СКВ "Хроматек". Йошкар-Ола, 1998.<br />
369. May S.P. The use of computers for laboratory automation. Boca Raton<br />
(FIa.): CRC press, 1994.<br />
370. Barnes J.R. Electronic system design: Interference and noise control techniques.<br />
Englewood Cliffs (N.J.): CRC press, 1987.<br />
371. Tokheim R. Digital electronics. N. Y., 1984.<br />
372. Dalton R., Mueller S. IBM PC/2 Handbook, Carmel: 1088.<br />
373. Horowitz P., Hill W. The art of electronics. Cambridge etc.: Cambridge<br />
Univ. press, 1981.<br />
374. Sojak L., Hrivnac /., Ostrovskij /., Janak J. // J. Chromatogr. 1973.<br />
Vol.91. P. 617.<br />
375. Scott R., Kamming S. Il Gas chromatography, 1960 / Ed. R.P.W. Scott. L.:<br />
Butterworths, 1960.<br />
376. Scott R.P.W. //Nature. 1960. Vol. 185. P. 312.<br />
377. Desty D.H., Goldup A., Swanton WT. // Gas chromatography / Ed.<br />
N. Brenner et al. N.Y.; L : : Acad, press, 1962. P. 105.<br />
378. Purnell J.H., Quinn CP. // Gas chromatography, 1960 / Ed. R.P.W. Scott.<br />
L.: Butterworths, 1960. P. 184. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография.<br />
M.: Мир, 1964. С. 248.<br />
379. Charrier G., Dupuis M.С, Merlivat J.C. et al. // Chromatographia. 1972.<br />
Vol. 4. P. 119.<br />
380. GiIlJ.M. II). Chromatogr. Sci. 1972. Vol. 10. P. 1.<br />
38\.Jellum E., Helland P., Eldfarn L. et al. // J. Chromatogr. 1975. Vol. 112.<br />
P. 573.<br />
382. Dessy R.E., Reynolds W.D., Nunn W.G. et al. // Ibid. 1976. Vol. 126.<br />
P. 347.<br />
383. Horning M.G., Nowlin J., Stafford M. et al. // Ibid. 1975. Vol. 112. P. 605.<br />
384. Stillwell R.N., Stillwell W.G. Il Ibid. 1976. Vol. 126. P. 547.<br />
332<br />
385. Doinne V.C, Roudbhler D.P., AshterE.K. et al. //J. Energic Master. 1986.<br />
Vol. 4. P. 447.<br />
386. Guiochon G. // Anal. Chem. 1978. Vol. 50, N 13. P. 1812-1822.<br />
387. Jones F.S. // J. Chromatogr. Sci. 1980. Vol. 18, N 12. P. 664-<br />
669.<br />
388. Jonsson J.A., Mathiasson L. // J. Chromatogr. 1981. Vol. 219, N 3.<br />
P. 427^130.<br />
389. MacDonaldJ.C. //Amer. Lab. 1981. Vol. 13, N 2. P. 134-137.<br />
390. Schujtes CP.M., Cramers CA., Vidal-Majiar C, Guiochon G. Il J.<br />
Chromatogr. 1983. Vol. 279. P. 269-277.<br />
391. Smith S.A., Adams G.E. I I Ibid. P. 623-630.<br />
392. Maeno S., Rodriguez P.A. Il J. Chromatogr. A. 1996. Vol. 731, N 1/2.<br />
P. 201-216.<br />
393. Singh H., Aue W.A. // Ibid. Vol. 746. P. 43-51.<br />
394. Hansen TJ., Archer M.C, Tannenbaum S.R. Il Anal. Chem. 1978. Vol. 51.<br />
P. 1526.<br />
395. Micro GC, HP. Портативные газовые хроматографы: Проспект<br />
фирмы "Хьюлетт-Паккард". Norwalk (Conn.), 1999.<br />
396. Lafleur A.L. Marrissean BD. // Anal. Chem. 1980. Vol. 52.<br />
P. 1313.<br />
397. Douse J.M.F. //J. Chromatogr. 1987. Vol. 410. P. 181-189.<br />
398. Rounbehler D.P., McDonald SJ., Lieb D.P., Fine D.H. // Proc. 1 Intern.<br />
Symp. Explosive Detect. Technol., Atlantic City, N.J., Nov., 13-15, 1991.<br />
Atlantic City (NJ.), 1991. P. 703-713.<br />
399. Jackson A., Bromberg E.E.A. Diplomatic Securities Division. Wash.<br />
(D.C.): Department of State, 1991.<br />
400. Nacson S., MitchnerB., Legrady O. et al. //Proc. I Intern. Symp. Exprosive<br />
Detect., Technol, Atlantic City, NJ., Nov. 13-15, 1991. Atlantic City<br />
(NJ.),-1991. P. 714-721.<br />
401. Overton E.B., Dharmasena H.P., Ehrmann U., Carney K.R. II Field Anal.<br />
Chem. Technol. 1996. Vol. 1, N 2. P. 87-92.<br />
402. Overton E.B., Carney K.R. Il Trends Anal. Chem. 1994. Vol. 9.<br />
P. 252-257.<br />
403. International recomendations: Portable gas chromatographs for field measurements<br />
of hazardous chemical pollutants. P.: Organisation Internationale<br />
de Metrologie Legale, 1994.<br />
404. Wilhite W.F. //J. Gas Chromatogr. 1966. Vol. 4. P. 47.<br />
405. Simmonds P.Q., Shulman G.P., Stembridge CH. // J. Chromatogr. Sci.<br />
1969. Vol. 7. P. 36.<br />
406. Gel man B.G., Zolotukhin B.G., Lamonov N.I. et al. An analysis of the<br />
chemical composition of the atmosphere of Venus on an AMS of the<br />
Venera-12 using a gas chromatograph. Houston, 1979. (NASA Trans. Rep.<br />
N TM-75476).<br />
406. Oyama V.I., Carle G.C, Woeller F. // Science. 1979. Vol. 205. P. 52-54.<br />
407. Ettre L.S. Introduction to open tubular columns. Norwalk (Conn.): Perkin-<br />
Elmer, 1978.<br />
408. Kaiser R. Chromatographic in der Gasphase. Th. 2. Kapillary<br />
Chromatographic Mannheim: Bibliogr. Inst., 1961.<br />
333
409. Komarek K., Churacek J., Tesafik K., Svec M. I I Capillary gas chromatography.<br />
Pardubice: VSCHI, 1978. P. 125.<br />
410. Руденко Б.А. Капиллярная хроматография. М.: Наука, 1978.<br />
222 с.<br />
411. Schulte E. Praxis der Kapillar Gas-Chromatographie mit Beispielen aus<br />
Lebensmittel und Umweltchemie. B.: Springer, 1983.<br />
413. Grob K. Making and manipulating capillary columns for gas chromatography.<br />
Heidelberg: Hiithig, 1986.<br />
414. Modern practice of gas chromatography / Ed. R.L. Grob. N.Y.: Wiley,<br />
1995. 888 p.<br />
415. Onuska F.I., Karasek F.W. Open tubular column gas chromatography in<br />
environmental sciences. N.Y.: Plenum press, 1984.<br />
416. Grant D.W. Capillary Gas Chromatography. Chichester: Wiley, 1996.<br />
Глава 8<br />
СОЧЕТАНИЕ КАПИЛЛЯРНОЙ<br />
ХРОМАТОГРАФИИ<br />
И МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ<br />
8.1. ХРОМАТО-МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ-<br />
НАИБОЛЕЕ СОВЕРШЕННЫЙ МЕТОД<br />
АНАЛИЗА СОСТАВА ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ<br />
Повышение эффективности газохроматографического разделения<br />
приводит к резкому увеличению числа компонентов, регистрируемых<br />
на хроматограмме. При анализе сложных смесей, встречающихся<br />
при изучении нефтехимических продуктов, анализе загрязнений<br />
окружающей среды или в медико-биологических исследованиях,<br />
число разделяемых компонентов, зафиксированных на<br />
хроматограмме при эффективности разделения 50-100 тыс. т.т.,<br />
может достигать 500-600 и более. В этих условиях с исключительной<br />
остротой встает проблема идентификации пиков.<br />
При наличии среди анализируемых компонентов соединений,<br />
имеющих значительные различия в составе и строении, определенная<br />
информация об их природе может быть получена с помощью<br />
селективных детекторов, описанных в предыдущей главе.<br />
Однако их возможности ограничены выявлением таких особенностей<br />
состава и структуры определяемых веществ, как наличие<br />
или отсутствие атомов галогенов, азота, серы, фосфора, присутствие<br />
кратных связей и т.п. Селективные детекторы оказываются<br />
неэффективными при идентификации близких по составу и<br />
строению компонентов смесей. При использовании капиллярных<br />
колонок малоприменимы также и методы реакционной хроматографии<br />
вследствие того, что любые реакторы, включенные до<br />
капиллярной колонки или после нее, резко снижают достигаемую<br />
эффективность разделения. Поэтому в качестве средства<br />
идентификации компонентов смесей, разделяемых с помощью<br />
335
капиллярной хроматографии, находит широкое применение метод<br />
масс-спектрометрии органических соединений.<br />
Первоначальные попытки объединения капиллярной хроматографии<br />
и масс-спектрометрии были продиктованы стремлением<br />
добиться высокой чувствительности детектирования, необходимой<br />
для реализации высокой разделяющей способности капиллярных<br />
колонок [1-3]. Однако в дальнейшем богатые возможности<br />
масс-спектрометрии как средства изучения структуры соединений,<br />
разделенных с помощью газовой хроматографии, были<br />
широко использованы в многочисленных конструкциях комбинированных<br />
приборов, объединяющих преимущества обоих методов.<br />
Развитие этого направления привело к созданию хроматомасс-спектрометрии<br />
- наиболее совершенного метода изучения<br />
состава сложных смесей веществ, сочетающего высокую разделяющую<br />
способность капиллярной хроматографии с присущими<br />
масс-спектрометрии высокой чувствительностью и большими<br />
возможностями получения информации о составе и строении<br />
анализируемых соединений.<br />
Основная идея этого объединения весьма проста и заключается<br />
в том, чтобы зафиксировать масс-спектр идентифицируемого<br />
соединения за время, малое по сравнению с временем, в течение<br />
которого соответствующая зона выходит из капиллярной колонки.<br />
Разделенные в колонке соединения поступают в массспектрометр,<br />
где их молекулы ионизируются и образующиеся<br />
ионы подвергаются разделению по их массе, точнее по величине<br />
отношения массы к заряду. В процессе ионизации органических<br />
соединений обычно происходит распад исходной молекулы на более<br />
простые фрагменты, регистрируемые как ионы с меньшей<br />
массой. Ионизация молекул может осуществляться при соударениях<br />
с быстро движущимися электронами, термическим путем,<br />
под влиянием высокочастотного электромагнитного поля, при<br />
действии искрового или дугового разряда или в результате так<br />
называемой химической ионизации [4]. Образующиеся ионы разгоняются<br />
в электрическом поле, после чего подвергаются разделению<br />
по их массам с помощью анализаторов различного типа.<br />
Все процессы в масс-спектрометре протекают в высоком вакууме<br />
при остаточном давлении 10" 7 -10" 5 мм рт. ст. Для определения<br />
массы образующихся ионов полученный ионный пучок<br />
подвергают воздействию ориентированных определенным образом<br />
электрических и магнитных полей. В электрическом поле<br />
отклонение от прямолинейной траектории быстро движущихся<br />
заряженных частиц обратно пропорционально их кинетической<br />
энергии, т.е. величине mv 2 /2e, где т - масса иона, v - его скорость,<br />
а е - заряд. В магнитном поле их отклонение обратно пропорци-<br />
336<br />
Ввод пробы<br />
Рис. 98. Схема двойной фокусировки в масс-спектрометре Маттауха-Герцога<br />
/ - ионный источник; 2 - анализируемое соединение; 3 - ионный пучок;<br />
4 - отклоняющие электроды; 5 - датчик полного ионного тока; 6 - самописец;<br />
7 - магнит; 8 - фотопластинка; 9 - выходная щель; IO - электронный умножитель<br />
онально величине mv/e, т.е. импульсу движущегося иона. В обоих<br />
случаях отклонение зависит от величины отношения массы иона<br />
к его заряду, т/е. При отклонении пучка ионов, ускоренных в<br />
электрическом поле с потенциалом E, воздействием магнитного<br />
поля с напряженностью H, радиус кривизны траектории г связан<br />
с отношением т/е иона следующей зависимостью:<br />
т/е = №гУ2Е. (8-1)<br />
При ускорении образующихся ионов разные частицы приобретают<br />
несколько различные скорости, поэтому составляющие ионного<br />
пучка различаются не только по массе и заряду, но также и<br />
по скорости и в известных пределах по направлению движения.<br />
Конструкция масс-спектрометра должна обеспечивать регистрацию<br />
частиц с заданным значением т/е независимо от их скоростей<br />
или направлений движения. Эта задача решается системой<br />
фокусировки ионного пучка с помощью совместного действия<br />
электрических и магнитных полей. Одна из наиболее совершенных<br />
схем двойной фокусировки по направлению частиц и по их<br />
скорости дана на рис. 98. Приборы с такой системой фокусировки,<br />
называемые масс-спектрометрами Маттауха-Герцога [4],<br />
обладают очень высоким разрешением (до 50 000) и позволяют в<br />
предельном случае раздельно регистрировать частицы, отличаю-<br />
337
щиеся на 1/50000 долю своей массы. В практике хромато-массспектрометрии<br />
наиболее употребительны приборы с разрешением<br />
500-2500.<br />
Для регистрации сфокусированного пучка ионов в настоящее<br />
время чаще всего применяют электрометрический метод. Изменяя<br />
напряженность электрического или магнитного поля отклоняющей<br />
системы, на электроды коллектора - детектора ионов -<br />
направляют пучки сфокусированных частиц с последовательно<br />
увеличивающейся величиной отношения т/е. Запись значений<br />
тока коллектора в зависимости от напряжения отклоняющего<br />
поля представляет собой масс-спектр анализируемого соединения.<br />
В ряде конструкций масс-спектрометров для разделения<br />
ионов по величине отношения т/е используют закономерности<br />
движения заряженных частиц в быстро меняющемся электрическом<br />
поле, создаваемом системой из четырех электродов определенной<br />
конфигурации. Такие приборы, называемые квадрупольными<br />
масс-спектрометрами, обладают несколько меньшей разрешающей<br />
способностью.<br />
Кроме приборов, в которых дифференциация ионов происходит<br />
за счет различного отклонения их в электрических и магнитных<br />
полях, довольно распространенными являются масс-спектрометры,<br />
в которых ионы с разным отношением массы к заряду<br />
различают по времени, в течение которого они проходят определенный<br />
путь в вакууме. Такие времяпролетные масс-спектрометры<br />
проще по устройству, компактнее и дешевле. Они обладают<br />
очень высоким быстродействием, так что весь масс-спектр изучаемого<br />
соединения может быть зарегистрирован в доли секунды.<br />
Однако разрешающая способность и чувствительность таких<br />
приборов заметно ниже, чем у масс-спектрометров с электрическим<br />
или электромагнитным отклонением ионного пучка. Особенностям<br />
конструкции масс-спектрометров посвящена обширная<br />
литература [5-7].<br />
В большинстве случаев в ионном источнике органические<br />
молекулы подвергаются воздействиям, энергия которых заметно<br />
превышает энергию связей. В наиболее распространенных массспектрометрах,<br />
в которых ионизация осуществляется путем соударения<br />
молекул с быстро движущимися электронами, энергия<br />
последних достигает 70 эВ, что намного превышает не только<br />
ионизационный потенциал углерода, (11,4 эВ), но и энергию самых<br />
прочных связей, встречающихся в органических соединениях<br />
[8]. В масс-спектре органических веществ обычно, кроме молекулярного<br />
иона, возникающего при отрыве электрона от всей<br />
молекулы, наблюдают сигналы частиц с меньшей массой, назы-<br />
338<br />
ваемых осколочными ионами. Последние возникают в результате<br />
разрыва химических связей в анализируемом соединении и отщепления<br />
от него отдельных радикалов и групп атомов.<br />
Сопоставление величин массы и интенсивности сигналов наблюдаемых<br />
ионов в большинстве случаев позволяет делать вполне<br />
определенные заключения о химической структуре изучаемых соединений.<br />
Так, например, если масс-спектр соединения содержит<br />
пики с т/е, равным 168 (4,4), 139 (38), 125 (14), 97 (18), с относительной<br />
интенсивностью, указанной в скобках (в процентах), то можно<br />
сделать однозначный выбор между двумя изомерными структурами<br />
(I и II) на основании следующих соображений [9].<br />
Указанные значения т/е ионов (139 и 125) соответствуют отщеплению<br />
этильной и изопропильной групп. Пик, возникающий<br />
при отщеплении метильной группы (т/е 153), отсутствует. Зато в<br />
спектре имеется интенсивный пик с т/е 97, который может отвечать<br />
отщеплению этилена (т = 28) от иона с т/е 125 или пропилена<br />
(т = 42) от иона с т/е 139 при их последующей перегруппировке.<br />
Таким образом, масс-спектр однозначно указывает на то,<br />
что анализируемое соединение имеет структуру II.<br />
Вопросу о путях фрагментации органических соединений в<br />
процессе ионизации в масс-спектрометре и интерпретации массспектров<br />
посвящено очень большое число работ, систематизированных<br />
в обзорах и руководствах [7, 10-15]. Кроме того, многочисленные<br />
масс-спектры органических веществ сведены в каталоги<br />
и атласы, существенно облегчающие поиск необходимых<br />
данных [16-20].<br />
Если разрешающая способность масс-спектрометра превышает<br />
10 000, то говорят о масс-спектрометрии высокого разрешения.<br />
При столь высоком разрешении можно регистрировать<br />
тонкие различия масс ионов, соответствующих одному и тому же<br />
номинальному значению т/е. Эти различия проявляются в расщеплении<br />
пиков, соответствующих частицам, которые имеют<br />
приблизительно одинаковую массу, но состоят из разных атомов.<br />
Атомные массы изотопов, выраженные в углеродных единицах<br />
339
Рис. 99. Масс-спектрограмма молекулярных<br />
ионов моноксида углерода<br />
(/), азота (2) и этилена (3), полученная<br />
на масс-спектрографе высокого<br />
разрешения<br />
атомной массы, обычно не выражаются<br />
целыми числами, а бывают<br />
чуть больше или чуть меньше<br />
ближайших целых значений. Так,<br />
точное значение атомных масс:<br />
/(J (<br />
1 H - 1,0078,<br />
16 O - 15,9949, i»F -<br />
28,0312 I I 27,9949 т/е 18,9984, "N - 14,0032. Поэтому<br />
28,0064 составленные из разных атомов<br />
молекулы с одним и тем же целым<br />
значением молекулярной<br />
массы будут иметь несколько различающиеся истинные молекулярные<br />
массы и в соответствии с этим могут давать разные сигналы<br />
в масс-спектрометре высокого разрешения. Так, например,<br />
молекулярный азот, моноксид углерода и этилен имеют истинные<br />
значения молекулярных масс 28,0064, 27,9949 и 28,0312, соответственно.<br />
Поэтому в масс-спектрометре высокого разрешения<br />
смесь этих веществ даст три пика (рис. 99).<br />
Более важным преимуществом масс-спектрометрии высокого<br />
разрешения является то обстоятельство, что значения масс<br />
ионов, полученные с точностью до третьего-четвертого знака<br />
после запятой, как правило, однозначно определяют их состав<br />
или допускают очень небольшое число вариантов [21]. Так, например,<br />
молекулярной массе алкалоида эборнаменина 308 может<br />
соответствовать более двухсот различных комбинаций атомов. С<br />
другой стороны, точному значению молекулярной массы этого<br />
соединения 308,188 ± 0,001, найденному с помощью масс-спектрометрии<br />
высокого разрешения, соответствует только одна<br />
брутто-формула C 20 H 24 N 2 O [22]. Данные масс-спектрометрии высокого<br />
разрешения для сложных молекул представляются в виде<br />
так называемых элементных таблиц [22], в которых перечисляются<br />
ближайшие к найденным целые значения т/е, комбинации<br />
атомов, возможные для наблюдаемых точных значений, т/е и относительная<br />
интенсивность соответствующих пиков. Кроме того,<br />
в таблице указывают также расхождения между наблюдаемым и<br />
вычисленным для данной брутто-формулы значением т/е.<br />
Указанные особенности масс-спектрометрии высокого разрешения<br />
делают этот метод мощным инструментом установления<br />
состава и строения молекул органических соединений. Одна-<br />
340<br />
ко эти возможности могут быть в полной мере реализованы<br />
лишь при масс-спектрометрическом анализе индивидуальных<br />
соединений. Уже при наличии в смеси двух компонентов интерпретация<br />
спектров резко усложняется и при дальнейшем увеличении<br />
их числа становится вообще невозможной. Сочетание<br />
масс-спектрометрии с высокоэффективной капиллярной хроматографией<br />
практически нацело ликвидирует эту слабость массспектрометрического<br />
метода и создает принципиально новые<br />
возможности определения качественного и количественного состава<br />
сложных смесей органических соединений. Еще более расширяет<br />
возможности такой системы включение в нее электронно-вычислительных<br />
машин, обеспечивающих быструю обработку<br />
получаемых результатов и значительно облегчающих решение<br />
проблемы идентификации пиков разделенных компонентов<br />
.на хроматограмме. Нет сомнений, что такое сочетание средств<br />
разделения веществ, изучения их структуры и интерпретации получаемых<br />
результатов создает качественно новый и наиболее<br />
совершенный метод исследования состава органических веществ.<br />
8.2. ОСОБЕННОСТИ АППАРАТУРЫ.<br />
ТРЕБОВАНИЯ К МАСС-СПЕКТРОМЕТРАМ<br />
Объединение в одном приборе хроматографа и масс-спектрометра<br />
для полной реализации их возможностей требует выполнения<br />
ряда условий. Процессы в масс-спектрометре протекают в<br />
глубоком вакууме порядка 10" 6 мм рт. ст. Даже небольшое количество<br />
газа, которое истекает из капиллярной колонки, при непосредственной<br />
подаче в масс-спектрометр резко повышает давление<br />
в нем, что приводит к снижению чувствительности и потере<br />
разрешающей способности вследствие увеличения частоты<br />
столкновений ионов с молекулами газа-носителя. Поэтому, хотя<br />
многие масс-спектрометры допускают скорость ввода газообразных<br />
проб до 0,2 мл/мин (скорость напуска), все же до подачи в<br />
масс-спектрометр фракций, элюируемых из капиллярной колонки,<br />
необходимо удалить из них большую часть газа-носителя<br />
(80-90%). Это достигается путем применения специальных устройств,<br />
называемых молекулярными сепараторами (см. ниже).<br />
Существует два основных подхода к применению масс-спектрометрии<br />
для исследования природы веществ, элюируемых из<br />
колонки. В первом из них в течение процесса проявления хроматограммы<br />
регистрируется интенсивность пика, соответствующе-<br />
341
14%<br />
21(H<br />
1,75%<br />
100<br />
6,61%<br />
46<br />
0,50%<br />
120-|<br />
0,16%<br />
205<br />
2,07%<br />
149-|<br />
1,57%<br />
194<br />
0,11%<br />
242 -I<br />
250<br />
4,16<br />
i"Y-i-<br />
300<br />
4,99<br />
JL<br />
TNT<br />
i 1 i I<br />
JL<br />
RDX<br />
i • i • l ' i • i ' i<br />
i'l<br />
I M i T<br />
JL<br />
Ol I 4 ! lV I il '<br />
нмх<br />
JL<br />
А.<br />
T* i<br />
I ' I I | I 1 i' I ТЧ П|Т | Г | I ||<br />
350 400 Tetr y! 450<br />
5,83 6,66 7,49 мин<br />
J<br />
Рис. 100. Масс-фрагментограмма смеси взрывчатых веществ (10 млрд- 1<br />
каждого), извлеченных из водной пробы жидкостной экстракцией<br />
Зарегистрированы сигналы характеристических ионов следующих взрывчатых<br />
веществ: TNT - 2,4,6-тринитротолуол; RDX- 1,3,5-тринитро-1,3,5-триазациклогексан<br />
(Гексоген); HMX - 1,3,5,7-тетранитро-1,3,5,7-тетраазациклооктан<br />
(Октаген); Tetryl - 2,4,6,Л'-тетранитро-Л'-метиланилин<br />
го заранее выбранному значению т/е какого-либо фрагмента,<br />
характерного для одного или нескольких изучаемых соединений.<br />
Применяя многоканальные системы записи, можно одновременно<br />
зарегистрировать изменение интенсивности пиков, соответствующих<br />
нескольким таким фрагментам, что позволяет сделать<br />
определенные суждения о структуре разделяемых соединений.<br />
Можно также получить набор таких данных, последовательно<br />
повторяя процесс хроматографии и регистрируя каждый раз изменение<br />
интенсивности пика одного из фрагментов. Такой метод<br />
анализа, часто называемый масс-фрагментографией, предъявляет<br />
менее сложные требования к масс-спектрометрической аппаратуре,<br />
но в то же время дает меньше информации и требует<br />
больше времени для ее получения [23-27]. Тем не менее, такой<br />
метод был с успехом использован при анализе смесей углеводородов,<br />
природных соединений, биологически активных веществ<br />
типа стероидных гормонов, фармацевтических препаратов и т.п.<br />
[28-30]. Пример зарегистрированной таким путем фрагментограммы<br />
представлен на рис. 100 [31].<br />
342<br />
Другой подход заключается в том, что при элюировании хроматографического<br />
пика масс-спектрометр регистрирует полный<br />
масс-спектр данного соединения. Такой метод дает значительно<br />
более обширную информацию о природе анализируемых продуктов,<br />
но в то же время предъявляет существенно более жесткие<br />
требования к аппаратуре.<br />
Это связано с тем, что время, в течение которого из колонки<br />
элюируется хроматографический пик, при капиллярной хроматографии<br />
во многих случаях не превышает 5-10 сек. За это время<br />
концентрация элюируемого вещества изменяется от нуля до<br />
максимума и вновь падает до нуля. Поэтому для получения неискаженных<br />
масс-спектров время регистрации спектра (время развертки)<br />
должно быть весьма небольшим по сравнению с временем<br />
элюирования (1-2 сек), чтобы концентрацию вещества в течение<br />
времени развертки можно было бы считать примерно постоянной.<br />
Наличие молекулярных сепараторов и возможность быстрой<br />
развертки спектра во всем диапазоне массовых чисел, представляющих<br />
интерес в данном конкретном случае, являются основными<br />
особенностями хромато-масс-спектрометрических приборов,<br />
наиболее часто применяемых в настоящее время. Эти приборы<br />
работают именно на основе последнего из двух изложенных<br />
принципов [32]. Среди современных масс-спектрометров имеются<br />
модели, позволяющие за 1-3 сек зарегистрировать масс-спектры<br />
в диапазоне значений т/е от 50 до 500 и выше при разрешении<br />
500 и более [33-35]. Для регистрации масс-спектров с такой<br />
скоростью в настоящее время почти всегда используются электронно-вычислительные<br />
машины с достаточно большим объемом<br />
памяти.<br />
Детектирование сигналов осуществляют с помощью электронного<br />
умножителя. Сигнал далее усиливается, переводится в<br />
дискретную форму с помощью соответствующих преобразователей<br />
и фиксируется в памяти ЭВМ. Электронные умножители,<br />
усилители и записывающие устройства должны обладать малым<br />
уровнем шума и полосой пропускания 1-10 кгц [19, 36]. Массспектры<br />
могут далее подвергаться обработке для оценки относительных<br />
интенсивностеи пиков и сравниваться с масс-спектрами<br />
заведомо известных соединений, также хранящихся в памяти<br />
ЭВМ. При необходимости ЭВМ воспроизводит масс-спектр и любую<br />
другую необходимую информацию.<br />
Для повышения чувствительности масс-спектрометров предпринимались<br />
попытки проводить запись масс-спектров более<br />
медленно, в течение всего периода времени выхода пика из колонки.<br />
При этом применялись устройства, автоматически корре-<br />
343
ктирующие изменения концентрации вещества в процессе элюирования<br />
пика путем учета величины полного ионного тока массспектрометра,<br />
пропорционального этой концентрации [37, 38].<br />
Кроме того, описаны фоторегистрирующие системы, интегрирующие<br />
сигналы, соответствующие каждому пику масс-спектра в<br />
течение времени элюирования хроматографического пика из колонки<br />
[39]. Однако в настоящее время наибольшее распространение<br />
приобрели масс-спектрометрические системы, обеспечивающие<br />
достаточно быструю регистрацию масс-спектров.<br />
8.3. УДАЛЕНИЕ ГАЗА-НОСИТЕЛЯ.<br />
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СЕПАРАТОРЫ<br />
Хотя в литературе описаны примеры непосредственного ввода<br />
истекающего из колонки газа в масс-спектрометр [40, 41], повидимому,<br />
это целесообразно лишь при использовании капиллярных<br />
колонок очень малого диаметра (менее 0,1 мм), которые хорошо<br />
работают при скорости газа около 0,1 мл/мин, но в настоящее<br />
время не слишком распространены. При работе с капиллярными<br />
колонками большего диаметра, и, тем более, с наполненными<br />
колонками, необходимо при вводе проб в масс-спектрометр<br />
удалить основную часть газа-носителя, не уменьшая количество<br />
анализируемого вещества. Такое избирательное удаление<br />
газа-носителя осуществляется с помощью специальных устройств,<br />
называемых молекулярными сепараторами, в которых<br />
тем или иным путем обеспечено значительное различие в скоростях<br />
проникновения в камеру масс-спектрометра молекул газаносителя<br />
и анализируемого компонента.<br />
Работу сепаратора характеризуют коэффициентом обогащения<br />
и эффективностью. Коэффициент обогащения указывает, во<br />
сколько раз повышается концентрация вещества в газе-носителе<br />
после прохождения через сепаратор, а его эффективность определяется<br />
тем, какая доля поступающего на вход сепаратора образца<br />
передается далее в масс-спектрометр. Экспериментально коэффициент<br />
обогащения и эффективность определяют, вводя в массспектрометр<br />
одинаковые пробы вещества, для которого известна<br />
градуировочная характеристика прибора, сначала непосредственно,<br />
а потом через сепаратор. Отношение наблюдаемых концентраций<br />
равно коэффициенту обогащения, а отношение интегралов<br />
ионного тока - эффективности работы сепаратора [139, 42, 43].<br />
Простейший струйный сепаратор, предложенный ранее Беккером<br />
[44] для разделения изотопов, основан на различии момен-<br />
344<br />
к массспектрометру<br />
а<br />
б<br />
к вакуум-насосу<br />
к вакуум-насосу<br />
. вход газа<br />
из колонки<br />
вход газа<br />
из колонки<br />
Рис. 101. Струйный сепаратор<br />
а - общая схема; б - сепаратор, выполненный из стекла; / - входное сопло;<br />
2 - выходное сопло<br />
тов инерции молекул разной массы. Схема сепаратора показана<br />
на рис. 101а. Легкий газ-носитель - гелий или водород, содержащий<br />
пары органического соединения, истекает через узкое сопло<br />
диаметром около 0,1 мм в камеру, из которой газ непрерывно откачивается<br />
вакуум-насосом. Точно против выходного отверстия<br />
сопла, на расстоянии 0,1-0,3 мм от него, имеется выходное отверстие,<br />
диаметром 0,2-0,3 мм, через которое газ покидает сепаратор.<br />
Благодаря тому, что более тяжелые молекулы обладают<br />
большей инерцией и не столь легко изменяют направление своего<br />
движения, они преимущественно попадают в выходное отверстие<br />
и направляются в масс-спектрометр. Легкие молекулы газаносителя<br />
успевают покинуть струю и удаляются вакуум-насосом.<br />
Одна из реально используемых моделей такого сепаратора, выполненная<br />
целиком из стекла, показана на рис. 1015.<br />
В практике хромато-масс-спектрометрии часто применяются<br />
двухкамерные сепараторы такого типа. При этом первая по ходу<br />
газа камера откачивается форвакуумным насосом, а вторая -<br />
диффузионным масляным.<br />
Двухступенчатые струйные сепараторы обеспечивают коэффициент<br />
обогащения, равный 100, при эффективности 50-60%<br />
[45]. Давление в первой камере поддерживают около 0,1 мм рт.<br />
ст., а во второй - менее 10~ 3 мм рт. ст. В обеих камерах должно<br />
быть обеспечено вязкостное течение газа, т.е. диаметр сопла<br />
должен быть больше длины свободного пробега молекул. Для<br />
345
работы с капиллярной колонкой при расходе газа на ее выходе<br />
0,5-2,0 мл/мин достаточно применять одноступенчатый сепаратор,<br />
который обычно имеет ту же температуру, что и колонка.<br />
Струйный сепаратор успешно применяется при работе с капиллярными<br />
колонками [46]. При изготовлении струйных сепараторов<br />
предъявляются весьма высокие требования к точности размеров<br />
отверстий и их взаимного расположения [32]. Тем не менее,<br />
они применяются достаточно широко.<br />
Второй распространенный тип молекулярных сепараторов основан<br />
на использовании явления эффузии. Если длина свободного<br />
пробега молекул газа на входе в отверстие в несколько раз превышает<br />
диаметр этого отверстия, то каждый компонент газовой<br />
смеси вытекает через это отверстие независимо от других компонентов<br />
со скоростью, определяемой разностью парциальных давлений<br />
этого компонента на входе и выходе отверстия. Такой режим<br />
течения, называемый эффузией, приводит к тому, что газовая<br />
смесь перед входом в отверстие обогащается компонентом,<br />
концентрация которого в исходной смеси более низкая [47, 48].<br />
Скорость потока /-того компонента F,- имеющего парциальные<br />
давления на входе и выходе отверстия р„ и р 0 , определяется<br />
выражением<br />
F 1 =Vk^(P 1 -P 0 ), (8_ 2 )<br />
где и - средняя скорость молекул, k eff - постоянная, связанная с<br />
размерами и геометрией отверстия.<br />
Так как при высокой температуре средние скорости движения<br />
молекул обратно пропорциональны квадратному корню из<br />
величины молекулярной массы, то для двух компонентов<br />
M. \1/2<br />
M 1 j<br />
(Л(1)-АХ1))(Р«(2)-РО(2))- (8-3)<br />
Если давление на выходе отверстия намного меньше давления на<br />
входе, т.е. если р, > р 0 , что обычно соблюдается в случае эффузионных<br />
сепараторов, то<br />
F 2<br />
'м 2<br />
Л<br />
1/2<br />
M 1<br />
^-. (8-4)<br />
Отсюда следует, что скорость истечения будет тем больше, чем<br />
выше парциальное давление данного компонента и чем ниже его<br />
молекулярная масса. Если в качестве газа-носителя используют<br />
гелий (M = 4) и из колонки элюируется бензол (M = 78), причем<br />
его парциальное давление в элюате в 100 раз меньше, чем парци-<br />
346<br />
альное давление гелия, то отношение скоростей их эффузионных<br />
потоков будет равно:<br />
-3fc- = ioof—1 = 435 - ^8" 5 )<br />
с б н б<br />
Этот пример показывает возможность значительного обогащения<br />
проходящего через сепаратор газа более тяжелыми компонентами.<br />
При концентрации их около 10--10- 3 % достигаемое<br />
различие скоростей истечения еще выше и может достигать<br />
10 5 -10 6 .<br />
Молекулярный сепаратор эффузионного типа выполняют в<br />
виде трубки или диафрагмы из пористого инертного материала с<br />
порами весьма малого размера. Так, сепаратор в форме стеклянной<br />
трубки с пористыми стенками имеет диаметр пор около<br />
1 мкм [39, 49]. В трубке с внутренним диаметром 4 мм сохраняется<br />
вязкостное течение газа, происходящее без изменения его состава.<br />
При скорости гелия 20 мл/мин на входе в сепаратор длиной<br />
20 см коэффициент обогащения составлял около 50. Это означает,<br />
что в масс-спектрометр поступало 0,2 мл газа в минуту, а в<br />
ионный источник около 50% элюируемого из колонки образца и<br />
всего 1% гелия (рис. 102а).<br />
Подробный анализ работы трубчатого эффузионного сепаратора<br />
с учетом изменения соотношения парциальных давлений по<br />
его длине приводит к заключению, что полная степень обогащения<br />
пропорциональна отношению молекулярных масс компонентов<br />
и газа-носителя при наличии одной ступени и тому же отношению<br />
в степени 1,5 при наличии двух ступеней сепаратора. Эксперименты<br />
показали, что на практике достигаются степени обогащения,<br />
составляющие 72-85% теоретически предсказанных величин,<br />
т.е. около 400, при эффективности 25-50% [50]. При работе<br />
с капиллярными колонками вполне достаточным является применение<br />
одноступенчатого пористого стеклянного сепаратора. Во<br />
избежании адсорбции анализируемых соединений на пористых<br />
стенках сепаратора и связанного с этим искажения формы пиков<br />
и потери эффективности разделения, сепаратор подвергают силанизации<br />
путем обработки раствором диметилдихлорсилана в толуоле<br />
с последующей промывкой метанолом, либо путем обработки<br />
парами бис-(триметилсилил)ацетамида при 150 0 C [51, 521].<br />
Известны конструкции эффузионных сепараторов с пористой<br />
трубкой или мембраной из нержавеющей стали. Средний<br />
диаметр пор в таких фильтрах может составлять 0,1 мкм [43]. Такие<br />
сепараторы удобны в работе, обладают высокой термостойкостью<br />
и обеспечивают коэффициент обогащения до 100 при эф-<br />
347
ж<br />
ш<br />
7<br />
вход газа<br />
из колонки<br />
>Г=Т^г<br />
вакуум<br />
t<br />
из колонки<br />
хромолюграфа<br />
Э_<br />
B -<br />
— выход<br />
вакуум<br />
Рис. 102. Сепараторы с полупроницаемой мембраной<br />
а - с пористой трубкой; б - с полупроницаемым фторопластовым капилляром;<br />
в - с полупроницаемыми мембранами из силиконовой резины;<br />
/ - фторопластовый капилляр; 2 - силиконовые мембраны<br />
фективности 40%. При работе с труднолетучими и малоустойчивыми<br />
соединениями, например с триметилсилильными производными<br />
нуклеотидов, такие сепараторы, как и стеклянные, требуют<br />
силанизации диметилдихлорсиланом с последующей обработкой<br />
метанолом [43, 53]. Эффузионные сепараторы с пористыми<br />
серебряными мембранами имеют средний диаметр пор около<br />
0,2 мкм. При этом достигается степень обогащения 100 и более<br />
при достаточно высокой эффективности [54]. Для работы с капиллярными<br />
колонками удобен миниатюрный сепаратор с пори-<br />
348<br />
стой серебряной мембраной толщиной 0,05 мм и диаметром 6 мм,<br />
имеющей поры размером 3 мкм [55].<br />
Весьма значительные степени обогащения и довольно высокая<br />
эффективность могут быть получены при использовании<br />
молекулярных сепараторов с полупроницаемыми пластмассовыми<br />
или резиновыми мембранами. В зависимости от типа полимера<br />
в этих сепараторах происходит либо преимущественное проникновение<br />
легких молекул газа-носителя, либо, наоборот, преимущественное<br />
проникновение органического компонента, избирательно<br />
сорбируемого материалом мембраны. Примером<br />
полимерного материала первого типа является политетрафторэтилен<br />
(тефлон). Основной частью молекулярного сепаратора,<br />
показанного на рис. 1025, является тонкий тефлоновый капилляр<br />
длиной около 2 м с внутренним диаметром 0,25 мм и толщиной<br />
стенок 0,125 мм. Газ-носитель из колонки проходит через<br />
капилляр, помещенный в эвакуированную полость. При температуре<br />
280-290 0 C через тонкие стенки капилляра проникает<br />
преимущественно гелий, что делает механизм обогащения в таком<br />
сепараторе схожим с сепараторами эффузионного типа.<br />
В сепараторе с тефлоновым капилляром достигаются степени<br />
обогащения более 200 при эффективности 40-70%. Работа этого<br />
сепаратора очень сильно зависит от температуры: при 250 0 C<br />
диффузия газа через стенки капилляра вообще не происходит, а<br />
при 350 0 C имеет место полная утечка определяемого компонента<br />
[56].<br />
Механизм переноса гелия полностью не выяснен, хотя можно<br />
определенно утверждать, что в стенках капилляра отсутствуют<br />
мелкие поры [42, 57-59]. Благодаря малой скорости перемещения<br />
газа в узком капилляре наблюдается задержка во времени<br />
поступления образца из капиллярной колонки в масс-спектрометр.<br />
Эта задержка, составляющая 20-30 сек, в ряде случаев<br />
может быть также связана с сорбцией анализируемых компонентов<br />
стенками капилляра, что сопровождается некоторым искажением<br />
формы пиков и падением эффективности разделения<br />
[56, 60].<br />
Хотя тефлоновый сепаратор успешно использовали при анализе<br />
производных аминокислот, сложных эфиров, терпеноидов и<br />
стероидных соединений [42, 57], отмечен ряд случаев, когда имеет<br />
место химическое взаимодействие этого материала с триметилсилиловыми<br />
эфирами, амидами, аминами и галогенопроизводными<br />
[161].<br />
В сепараторе с полупроницаемой мембраной из силиконовой<br />
резины (рис. 102в) используется прямо противоположный процесс<br />
- ускоренное проникновение органических молекул через<br />
349
полимерную силиконовую мембрану [62]. В этом случае органические<br />
продукты, обладающие повышенной растворимостью в<br />
полимерном материале мембраны, селективно сорбируются ее<br />
поверхностью, диффундируют через нее и десорбируются в полость<br />
ионного источника масс-спектрографа. Такой процесс избирательной<br />
проницаемости веществ через полимерные мембраны<br />
достаточно интенсивно изучается и используется для разделения<br />
некоторых смесей [163]. Поток вещества через мембрану<br />
описывается уравнением:<br />
J7<br />
SDA Mr<br />
F = —~ L (p i -PoX (8-6)<br />
а м<br />
где F - количество, вещества, проходящего через мембрану за<br />
единицу времени; S - растворимость вещества в материале мембраны;<br />
D - коэффициент диффузии; А м - площадь мембраны; d M -<br />
ее толщина; р, и р 0 - парциальные давления компонента на входной<br />
и выходной стороне мембраны.<br />
Благодаря высокой растворимости органических веществ в<br />
силиконовой мембране скорость их миграции через нее на несколько<br />
порядков выше, чем скорость проникновения обычных<br />
газов-носителей. Так, если площадь мембраны 5 см 2 , толщина<br />
25 мкм, температура 30 0 C и разность давлений 1 кг/см 2 , скорость<br />
проникновения паров октана составляет 3 мл/сек, а гелия<br />
0,003 мл/сек, т.е. на три порядка меньше. Еще ниже проницаемость<br />
мембраны для азота. Поэтому в случае сепаратора, показанного<br />
на рис. 102в, в первой мембране сорбируется более 90%<br />
элюируемых из колонки органических компонентов. Вещества,<br />
диффундирующие через первую мембрану, проходят в камеру<br />
между мембранами, в которой поддерживается давление Ю -4 мм<br />
рт. ст. Около 50% проникающего вещества сорбируется второй<br />
мембраной и проходит в камеру ионного источника, где давление<br />
не превышает 10~ 7 мм рт. ст. Таким образом достигаются очень<br />
высокие степени обогащения (более 10 5 ) при эффективности<br />
50-70%.<br />
При указанных выше размерах сепаратора и параметрах<br />
мембраны задержка во времени между моментом элюирования<br />
пиков из колонки и появлением сигнала масс-спектрометра не<br />
превышает 0,1-1 сек. Это позволяет использовать такой сепаратор<br />
при работе с капиллярными колонками.<br />
Сепаратор с полимерными мембранами чувствителен к выбору<br />
рабочей температуры. При чрезмерно высокой температуре<br />
увеличивается проникающая способность газов и падает скорость<br />
прохождения через мембрану органических веществ. При<br />
350<br />
^<br />
очень низкой температуре сильно замедляется диффузия через<br />
мембрану, что приводит к искажению формы пиков. Обычно<br />
температуру сепаратора поддерживают на уровне, близком к<br />
температуре колонки. Такой сепаратор оказывается весьма<br />
удобным при анализе продуктов биологических процессов и при<br />
изучении загрязнений атмосферы, так как позволяет отделить<br />
такие мешающие определению компоненты, как углекислый газ<br />
и пары воды.<br />
При выборе типа сепараторов для работы с капиллярными колонками<br />
следует учитывать необходимость иметь возможно меньший<br />
его объем и минимальную адсорбционную способность. При<br />
использовании некоторых газов-носителей можно исключить сепаратор<br />
вообще благодаря специфическим особенностям их химической<br />
реакционной способности. Так, в случае водорода высокое<br />
обогащение достигалось за счет того, что водород хорошо поглощается<br />
пленкой титана в ионно-сорбционных насосах [64].<br />
8.4. СОЕДИНЕНИЕ КАПИЛЛЯРНЫХ ХРОМАТОГРАФОВ<br />
И МАСС-СПЕКТРОМЕТРОВ<br />
Достаточно эффективная работа комплекса, включающего<br />
капиллярный хроматограф и масс-спектрометр, во многом зависит<br />
от качественного выполнения узлов соединения газовых коммуникаций<br />
этих приборов. Малые значения расхода газов в капиллярной<br />
колонке и крайняя нежелательность дополнительного<br />
разбавления элюируемых из колонки компонентов вспомогательными<br />
газовыми потоками определяют необходимость возможно<br />
более компактного взаимного расположения капиллярного<br />
хроматографа и масс-спектрометра. В большинстве описанных<br />
конструкций хроматограф располагается в непосредственной<br />
близости к ионному источнику масс-спектрометра. Конструкции<br />
узлов соединения весьма разнообразны и в большей мере<br />
зависят от конкретных особенностей конструктивного оформления<br />
каждого из элементов хромато-масс-спектрометрического<br />
комплекса.<br />
Ниже приводятся несколько типичных конструкций узлов соединения,<br />
позволяющих продемонстрировать их типичные особенности.<br />
Все эти конструкции использовались при выполнении<br />
сложных и длительных научно-исследовательских работ, что позволило<br />
установить их достаточно высокую надежность, эффективность<br />
и удобство в работе.<br />
351
Рис. 104. Соединение стеклянной<br />
капиллярной колонки с ионным<br />
источником масс-спектрометра<br />
/ - ионный источник масс-спектрометра;<br />
2 - нагреватель; 3 - стенка<br />
термостата хроматографа; 4 - соединительная<br />
трубка диаметром 6 мм;<br />
5 - капилляр диаметром 30 мкм;<br />
6 - колонка<br />
Рис. 103. Соединение металлической капиллярной колонки с ионным<br />
источником масс-спектрометра с помощью сепаратора с пористой трубкой<br />
из нержавеющей стали<br />
/ - сепаратор; 2 - термостат; 3 - дозирующий вентиль; 4 - фторопластовые<br />
прокладки; 5 - вакуумный затвор; 6 - входное отверстие для напуска без хроматографической<br />
колонки; 7 - фторопластовый штуцер; 8 - ионизационная камера;<br />
9 - ионный источник; IO - фторопластовый изолятор; // - вакуумное уплотнение;<br />
12 - трубка из нержавеющей стали диаметром 6 мм; 13 - капилляр; 14 - трубка<br />
диаметром 1,6 мм для соединения с сепаратором<br />
Типичная конструкция соединительного узла, удобного при<br />
работе с металлическими капиллярными колонками, показана на<br />
рис. 103. Особенностью конструкции является наличие коммуникации,<br />
выполненной из нержавеющей трубки диаметром около<br />
1 мм, которая проходит через вакуумный шлюз и обогревается<br />
электрическим током, протекающим через саму трубку. Для<br />
обогащения пробы применяется сепаратор с пористой мембраной<br />
из нержавеющей стали. Хроматограф соединяется с сепаратором<br />
с помощью трубки длиной 0,6 м и диаметром 1,6 мм, обогреваемой<br />
внешним ленточным нагревателем [43].<br />
Пример соединения стеклянной капиллярной колонки с ионным<br />
источником масс-спектрометра показан на рис. 104. Выходящий<br />
из колонки газ подается непосредственно в вакуумированную<br />
камеру ионного источника через сужение диаметром 30 мкм<br />
и длиной 10 мм, выполненное в начале стеклянной соединитель-<br />
352<br />
ной трубки, снабженной обогревателем [65]. Был использован<br />
масс-спектрометр AEI M-12 (фирма "AEI Сайентифик Аппаратур',<br />
Великобритания) и хроматограф F-Il (фирма "Перкин-Эльмер",<br />
США) со стеклянной капиллярной колонкой, длиной 48 м и<br />
диаметром 0,25 мм со стенками, покрытыми полисилоксаном<br />
OV-101. Колонка работала при температуре 230 0 C и скорости газа-носителя<br />
1 мл/мин. Давление в ионном источнике составляло<br />
4 х Ю- 6 мм рт. ст. Энергия ионизации была 20 эВ, температура источника<br />
250 0 C.<br />
На рис. 105 приведен пример хроматограммы, зарегистрированной<br />
при измерении полного ионного тока масс-спектрометра,<br />
применявшегося в системе хроматограф-масс-спектрометр, использованной<br />
для получения фрагментограммы [31]. В этой работе<br />
капиллярную колонку длиной 100 м и диаметром 0,5 мм с<br />
Эмульфором ON-870 соединяли с масс-спектрометром с помощью<br />
платинового капилляра длиной 30 см. Аналогичная система<br />
была применена и в работе [66].<br />
Подобные системы соединения, хотя и весьма многочисленные,<br />
не позволяют достаточно строго контролировать давление<br />
на выходе капиллярной колонки. Поэтому не исключена<br />
возможность того, что выходное давление будет значительно<br />
ниже атмосферного. Это приведет к серьезному возрастанию<br />
отношения давлений на входе и на выходе колонки и, следовательно,<br />
к существенному падению эффективности разделения.<br />
Полностью избежать этого нежелательного эффекта позволяет<br />
устройство для соединения стеклянной капиллярной колонки<br />
с масс-спектрометром [67] (рис. 106). На конец стеклянной<br />
капиллярной колонки одевают отрезок тонкой тефлоновой<br />
трубки длиной 3 см, в которую введены два тонких платиновых<br />
капилляра. Один из них, диаметром 0,15 мм и 90 см длиной,<br />
присоединен к ионному источнику масс-спектрометра (Вариан-<br />
MAT СН4, фирма "Вариан", США) и служит пневмосопротивлением,<br />
обеспечивающим желаемую скорость натекания гелия<br />
(~1 мл/мин при 250 0 C).<br />
12. Руденко Б. А. Т. 1 353
700 Время, се<br />
Рис. 105. Хроматограмма летучих компонентов мочи пациента, страдающего<br />
диабетом, зарегистрированная по изменению полного ионного<br />
тока в масс-спектрометре<br />
50 мм<br />
t<br />
Вход охлаждающего газа<br />
Рис. 106. Соединение капиллярной колонки с масс-спектрометром, позволяющее<br />
концентрировать выходящие компоненты или разбавлять их<br />
инертным газом<br />
/ - конец стеклянной капиллярной колонки; 2 - фторопластовая соединительная<br />
трубка; 3 - капилляр для соединения с ионным источником масс-спектрометра;<br />
4 - защитная трубка; 5 - подвод инертного газа для разбавления пиков;<br />
6 - трубчатый нагреватель; 7 - продувка гелием<br />
Второй капилляр предназначен для подачи вспомогательного<br />
потока газа, позволяющего понизить концентрацию вводимого в<br />
масс-спектрометр вещества при элюировании пиков с чрезмерно<br />
высокой концентрацией (растворители, силилирующие агенты,<br />
основные компоненты смесей при анализе микропримесей и т.п.).<br />
354<br />
Время разбавления пика в этом случае измеряется несколькими<br />
десятыми долями секунды. С другой стороны, при элюировании<br />
вещества, имеющего большое время удерживания и вследствие<br />
этого низкую концентрацию в максимуме пика, можно подавать<br />
сильно охлажденный гелий в защитную рубашку 4, изготовленную<br />
из стальных нержавеющих трубок диаметром 3 мм. Такое<br />
"улавливание" компонента в начальном участке входного капилляра<br />
масс-спектрометра при последующем быстром нагреве позволяет<br />
существенно увеличить концентрацию вещества, поступающего<br />
в ионный источник (рис. 107), и зарегистрировать четкие<br />
масс-спектры. На рис. 107 видно, что применение такого охлаждения<br />
увеличивает концентрацию вещества в максимуме пика в<br />
3-4 раза. Скорость нагрева можно регулировать, изменяя количество<br />
нагретого гелия, поступающего по линии 7 (см. рис. 106).<br />
При этом необходимо поддерживать скорость испарения вещества,<br />
достаточную для того, чтобы спектрометр успел зарегистрировать<br />
не менее двух-трех масс-спектров.<br />
Оригинальной чертой описанной конструкции является использование<br />
гелия, сбрасываемого через входной делитель, для<br />
продувки защитной рубашки. Покидающий делитель потока гелий<br />
пропускается через поглотитель и после очистки используется<br />
для продувки и обогрева узла соединения капиллярной колонки<br />
и масс-спектрометра.<br />
Интересные возможности соединения газохроматографической<br />
системы с масс-спектрометром предоставляют приборы с<br />
внешней ионизацией. Схема одной из таких систем [68] приведена<br />
на рис. 108. Поступающая из капиллярной колонки проба направляется<br />
в работающую при атмосферном давлении ионизационную<br />
камеру, содержащую радиоактивный изотоп 63 Ni. В камере<br />
происходит ионизация молекул анализируемых соединений<br />
электронным ударом или путем взаимодействия с первичными<br />
ионами, возникающими при бомбардировке молекул азота и воды<br />
Р-частицами. Образовавшиеся ионы через отверстие диаметром<br />
25 мкм поступают в анализатор квадрупольного масс-спектрометра<br />
«Финниган 1015», находящийся в зоне высокого вакуума.<br />
Это позволяет поддерживать необходимый вакуум (Ю- 5 мм<br />
рт. ст.) при откачке масляным диффузионным насосом с производительностью<br />
900 л/сек. Анализируемые ионы отделялись от<br />
нейтральных молекул магнитными линзами и далее поступали в<br />
квадрупольную систему. В зависимости от установленных потенциалов<br />
ионных линз и стержней квадруполя масс-спектрометр<br />
мог анализировать либо положительные, либо отрицательные<br />
ионы. Последний вариант значительно облегчает регистрацию<br />
молекулярных ионов анализируемых соединений. Чувствитель-<br />
12* 355
10<br />
Время, мин<br />
Рис. 107. Увеличение сигнала P-<br />
ситостерина на хроматограмме<br />
после предварительного улавливания<br />
на охлаждаемом участке колонки.<br />
Охлаждение включено через<br />
8 мин и выключено через<br />
9 мин 15 сек после ввода пробы<br />
а - без концентрирования; б - с<br />
концентрированием; / - холестерин; 2 -<br />
кампестерин; 3 - стигмастерин; 4 - |3-<br />
ситостерин<br />
ность системы позволяла регистрировать менее 5 х 1СГ 12 г, причем<br />
линейная зависимость сигнала от количества введенной пробы<br />
сохранялась по крайней мере в пределах четырех порядков<br />
(по 2,6-диметил-у-пирону). Описанная система соединения массспектрометра<br />
с хроматографической системой имеет большие<br />
перспективы применения не только в газовой хроматографии, но<br />
и в жидкостной [69].<br />
В настоящее время метод хромато-масс-спектрометрии получил<br />
весьма значительное развитие и применяется для решения<br />
самых разнообразных химико-аналитических проблем. Число<br />
публикаций об исследованиях, выполненных с применением этого<br />
метода, столь велико, что их рассмотрение в рамках данной<br />
книги полностью невозможно. Многие из этих исследований описаны<br />
в статьях, публикуемых в журнале Journal of<br />
Рис. 108. Масс-спектрометр с внешней ионизацией, работающий в сочетании<br />
с капиллярной колонкой<br />
/ - вход газа из хроматографа; 2 - вспомогательный газовый поток;<br />
3 - радиоактивный источник; 4 - отверстие диаметром 1-2 мкм; 5 - диафрагма;<br />
6 - магнитная линза; 7 - квадрупольная система; 8 - электронный умножитель<br />
356<br />
Chromatography, Biochemical Application. Большой опыт, накопленный<br />
в этих исследованиях, обобщен в целом ряде монографий,<br />
к которым мы вынуждены отослать заинтересованного читателя.<br />
Наиболее удачными и информативными среди этих источников<br />
представляются книги [70-73]. Некоторые примеры<br />
применения хромато-масс-спектрометрического метода, показательные<br />
с точки зрения его уровня развития, приведены ниже.<br />
Следует отметить, что успешное использование этого метода<br />
возможно только при тщательном проведении хроматографического<br />
эксперимента и масс-спектрометрических измерений.<br />
Недостаточное внимание к обеспечению высокого качества<br />
разделения резко снижает ценность получаемой информации и<br />
сужает возможности всей аналитической системы в целом. Анализ<br />
большого числа опубликованных работ показывает, что такая<br />
недооценка роли хроматографии в большей мере наблюдается<br />
в работах специалистов в области масс-спектрометрии, не имеющих<br />
соответствующей хроматографической подготовки. Только<br />
там, где хромато-масс-спектрометрические исследования ведутся<br />
при тесном контакте специалистов обеих областей, этот<br />
метод в полной мере раскрывает свои удивительные возможности,<br />
которые еще недавно показались бы фантастическими.<br />
8.5. ПРИМЕНЕНИЕ<br />
КАПИЛЛЯРНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ ДЛЯ АНАЛИЗА<br />
ТРУДНОРАЗДЕЛЯЕМЫХ<br />
И МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ<br />
В настоящее время капиллярная хроматография используется<br />
почти столь же широко, как и хроматография на наполненных<br />
колонках, и сфера ее применения непрерывно растет. Овладение<br />
техникой капиллярной хроматографии является показателем высокого<br />
научного и технического уровня аналитической лаборатории.<br />
В настоящее время капиллярная хроматография в значительной<br />
мере вытеснила наполненные колонки и стала широко<br />
применяемым методом, позволяющим в течение короткого времени<br />
решать сложнейшие аналитические задачи.<br />
Уже сейчас не представляется возможным и целесообразным<br />
рассмотреть в одной книге все опубликованные данные об использовании<br />
капиллярной хроматографии. Поэтому ниже приводятся<br />
лишь некоторые показательные примеры применения этого<br />
метода, которые расположены в порядке постепенного услож-<br />
357
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Время, мин<br />
hib&fcL<br />
70 75 80 85 90 95 100 105 ПО 115 120 Время, мин<br />
Рис. 109. Хроматограмма смеси углеводородов C 1 -C 9 . Капиллярная колонка<br />
длиной 91,4 м и диаметром 0,25 мм с пленкой силиконового масла<br />
SF-96 толщиной 0,2 мкм при температуре 25 0 C и скорости газа-носителя<br />
5,2 м/мин. Степень разделения пары н-гептан - «-октан R s = 72, степень<br />
разделения с учетом времени анализа 7,1. В состав смеси входило<br />
88 компонентов. На хроматограмме зарегистрировано 70 пиков. Среди<br />
них:<br />
/ - метан; 2 - этан; 3 - пропан; 5 - бутан; 10 - циклопентан; // - 2,3-диметилбутан;<br />
12 - 2-метилпентан; /4-н-гексан; /5-2,2-диметилпентан; /б-метилциклопентан;<br />
19 - 3,3-диметилпентан; 20 - циклогексан; 28 - н-гептан; 32 -<br />
этилциклопентан; 33 - 2,2,3-триметилпентан; 40 - 2,3,3-триметилпентан; 48 -<br />
1,4-диметилциклогексан; 59 - н-октан; 64 - 2,3,5-триметилгексан; 68 - этилциклогексан;<br />
70 -пропилциклогексан; пики2/, 29,42,45,53,56,58,61 и 63 соответствуют<br />
группам неразделенных компонентов<br />
нения решаемых аналитических задач, что в значительной степени<br />
повторяет хронологическую последовательность выполнения<br />
соответствующих исследований.<br />
Впервые капиллярная хроматография была применена для<br />
анализа смесей углеводородов. В опытах Голея [74] и Дийкстры<br />
и де Гоэя [75] по разделению простейших углеводородов C 4 и C 5<br />
с помощью капиллярной хроматографии была достигнута эффективность<br />
разделения 12 тыс. т.т. Уже в 1960 г., применяя колонки<br />
диаметром 0,07 мм, Дести с сотр. [76] впервые осуществили<br />
разделение всех изомеров гептана. Помимо достигнутой высокой<br />
разделяющей способности, важной особенностью этих исследований<br />
явилась исключительно большая скорость разделения -<br />
анализ завершался всего за несколько секунд (см. рис. 97).<br />
Одним из наиболее значительных достижений в области<br />
анализа углеводородных смесей явились исследования Польгара,<br />
Холста и Грёнингса [77], осуществивших разделение искусственной<br />
смеси, содержащей 88 компонентов (рис. 109). На по-<br />
358<br />
лученной хроматограмме было зарегистрировано 70 более или<br />
менее разделенных пиков. Метод капиллярной хроматографии<br />
нашел после этого широкое применение при анализе бензинов,<br />
более тяжелых нефтяных фракций жидких топлив, продуктов<br />
переработки каменного угля и т.п. [78-81]. Пример<br />
хроматограммы, полученной в изотермических условиях, приведен<br />
на рис. 110.<br />
Ряд работ по капиллярной хроматографии углеводородов выполнен<br />
Шомбургом [82, 83]. Используя комбинацию капиллярного<br />
хроматографа с масс-спектрометром и электронно-вычислительной<br />
машиной, автор изучил состав и строение ряда труднодоступных<br />
компонентов, входящих в состав нефтяного сырья и<br />
жидких топлив. Особое внимание было обращено на точность и<br />
воспроизводимость определения параметров удерживания анализируемых<br />
веществ. Благодаря тщательному контролю постоянства<br />
всех условий анализа и совершенным методам обработки<br />
данных точность определения индексов удерживания достигала<br />
0,1 ед. индекса и менее.<br />
С точностью до 0,03 ед. индекса параметры удерживания углеводородов<br />
определялись Рийксом и сотр. [84], применявших<br />
комбинированные системы из двух высокоэффективных колонок<br />
с жидкими фазами различной полярности. Любая фракция<br />
хроматограммы, полученной на первой колонке, могла быть переведена<br />
во вторую колонку для более детального исследования.<br />
Разделение смесей в таких системах, включающих две или<br />
несколько колонок разной полярности, называют двумерной<br />
или, в более общем случае, многомерной газовой хроматографией.<br />
Интересная работа по разделению пентадекана и изомерных<br />
пентадеценов выполнена Сояком и др. [85]. Отличительной<br />
чертой этого исследования является то, что разделение<br />
цис- и транс-изомеров алкенов нормального строения проводили<br />
на капиллярной колонке длиной 200 м со скваланом при<br />
относительно низкой температуре, что обусловило очень<br />
большие времена удерживания, достигающие 12-14 часов<br />
(рис. 111).<br />
Хотя эффективность колонки при этом достигала 500 тыс.<br />
т.т., что позволило разделить изомеры, различающиеся по температуре<br />
кипения на 0,1 0 C и менее, такая методика представляется<br />
мало пригодной для практического применения.<br />
Сложные смеси алифатических и ароматических соединений<br />
разделялись на капиллярных колонках при изучении состава керосиновых<br />
фракций нефти [86] и механизма пиролиза ароматических<br />
углеводородов [87, 88]. Как видно из хроматограммы на<br />
359
I 2 6 7 8<br />
9 19 25<br />
П<br />
Время, мин<br />
*•<br />
27,28,29<br />
Рис. 110. Хроматограмма углеводородов C 5 -C 8 бензиновой фракции<br />
[80]. Капиллярная колонка с октадеценом длиной 150 м и диаметром<br />
0,25 мм при 3O 0 C. Степень разделения гексана и гептана составляет<br />
21,8. На хроматограмме зарегистрировано 64 пика. Среди них:<br />
/ - шо-пентан; 2 - н-пентан; 4 - циклопентан; 5 - 2,3-диметилбутан;<br />
6 - 2-метилпентан; 8 - н-гексан; 13 - бензол; 25 - «-гептан; 26 - толуол; 40 -<br />
2,3,3-триметилпентан; 50 - 3-этилгексан; 64 - н-октан. На хроматограмме указаны<br />
пики, соответствующие группам неразделенных компонентов<br />
I I I 1 J ' '<br />
620 640 660 680 720 740 760 Время, мин<br />
Рис. 111. Хроматограмма смеси к-пентадекана и изомерных пентадеценов<br />
при 120 0 C. Колонка со скваланом длиной 200 м и диаметром<br />
0,25 мм<br />
/ - цмс-пентадецен-7; 2 - циопентадецен-б; 3 - цг
О 20 40 60 80 100 120 140 160 Время, мин<br />
Рис. 112. Хроматограмма углеводородов керосиновой фракции нефти,<br />
полученная на капиллярной колонке с полисилоксаном длиной 50 м и<br />
диаметром 0,5 мм<br />
25 Время, мин<br />
Рис. 113. Капиллярная хроматограмма широкой нефтяной фракции, полученная<br />
на колонке с полисилоксановой жидкой фазой в условиях программирования<br />
температуры. Указаны пики нормальных углеводородов<br />
362<br />
Капиллярная хроматография с успехом применяется для разделения<br />
как гомологов бензола, так и полициклических ароматических<br />
углеводородов, что весьма важно при исследовании загрязнений<br />
окружающей среды.<br />
Именно появление капиллярной хроматографии позволило<br />
дать надежное решение задачи, важной для промышленности искусственного<br />
волокна: осуществить анализ изомеров ксилола в<br />
смеси с этил бензолом [91]. Одна из первых удачных хроматограмм<br />
смеси гомологов бензола, содержащих трудноразделяемую<br />
группу изомеров - .м-ксилол, n-ксилол и этилбензол, приведена<br />
на рис. 114.<br />
Большое распространение получила капиллярная хроматография<br />
при изучении загрязнения окружающей среды полициклическими<br />
углеводородами, многие из которых весьма токсичны<br />
и обладают высокой канцерогенной активностью. Пример хроматограммы<br />
токсичных веществ, определяющих высокий уровень<br />
загрязнения окружающей среды в масштабе всего земного<br />
шара, приведен на рис. 115. Анализ этих веществ (хлорированных<br />
производных дифенила) долгое время представлял неразрешимую<br />
проблему [92].<br />
В большинстве случаев анализ полициклических углеводородов<br />
и их производных, отличающихся низкой летучестью и высокой<br />
адсорбционной способностью, проводят на тщательно дезактивированных<br />
высокоэффективных колонках, обычно с программированием<br />
температуры в пределах от 100-120 до<br />
300-350 0 C и выше [93-96]. Во многих случаях для интерпретации<br />
получаемых результатов применяются масс-спектрометры и<br />
счетно-вычислительные машины. Некоторые хроматограммы,<br />
полученные в ходе таких исследований, приведены на рисунках<br />
116 и 117. На последнем рисунке видно, что смеси загрязняющих<br />
окружающую среду веществ исключительно сложны по<br />
своему составу. Аналогичный или еще более сложный состав имеют<br />
смеси продуктов, входящие в состав искусственного жидкого<br />
топлива, получаемого из каменного угля [83]. На хроматограмме<br />
гексановой фракции такого топлива (рис. 118) зарегистрировано<br />
более 90 идентифицированных компонентов. Наибольшее число<br />
компонентов (279) найдено в исходной пробе топлива [97].<br />
Эфирные масла или группы веществ, входящие в их состав,<br />
широко применяются в пищевой, фармацевтической и парфюмерно-косметической<br />
отраслях промышленности, а также, особенно<br />
в последние годы, в качестве сырьевого источника ряда<br />
ценных природных соединений. Эфирные масла натурального<br />
происхождения и смеси продуктов, получаемых при концентрировании<br />
веществ, определяющих запах цветов, плодов, фруктов,<br />
363
1 2<br />
О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Время, мин<br />
Рис. 114. Хроматограмма смеси гомологов бензола. Капиллярная колонка<br />
длиной 50 м и диаметром 0,25 мм, жидкая фаза - смесь м-бис-(метафеноксифенокси)бензола<br />
и Апиезона L. Скорость повышения температуры<br />
4 град/мин<br />
/ - бензол; 2 - толуол; 3 - этилбензол; 4 - я-ксилол; 5 - ж-ксилол; 6 -<br />
о-ксилол; 7 - мзопропилбензол; 8 - н-пропилбензол; 9 - л-этилтолуол; 10 -<br />
л-этилтолуол; // - 1,3,5-триметилбензол; 12 - о-этилтолуол; 13 - 1,2,4-триметилбензол;<br />
14 - 1,2,3-триметилбензол; 15 - ароматические углеводороды<br />
С ш -С|4<br />
JLlRiJi<br />
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Время, мин<br />
Рис. 115. Хроматограмма хлорированных производных дифенила - биологически<br />
активных продуктов, входящих в состав препарата Арохлор<br />
1242. Стеклянная капиллярная колонка с Карбоваксом 20 M длиной<br />
54,6 м и диаметром 0,26 мм, температура 200 0 C. Среди зарегистрированных<br />
пиков:<br />
6 - 2,2'-дихлордифенил; 10 - 2,2',6-трихлордифенил; 14 - 2,2',3-трихлордифенил;<br />
20 - 2,4,4'-трихлордифенил; 25 - 2,2',5,5'-тетрахлордифенил; 27 -<br />
2,2',4,4'-тетрахлордифенил; 30 - 2,2,3,4-тетрахлордифенил; 38 - 2,3',4',5-тетрахлордифенил<br />
364<br />
л<br />
ю<br />
о<br />
Q.<br />
С<br />
H<br />
о<br />
Ш<br />
И<br />
—лд<br />
_1 I L.<br />
пищевых продуктов, напитков, имеют весьма сложный состав.<br />
Такие продукты содержат большое число близких по свойствам<br />
компонентов. В смеси одновременно присутствуют представители<br />
самых разнообразных химических классов, в том числе алифатические<br />
и циклические углеводороды, альдегиды, спирты, кетоны,<br />
фенолы и их эфиры, карбоновые кислоты, сложные эфиры,<br />
лактоны, азотистые и сернистые соединения.<br />
Основными компонентами эфирных масел являются моно- и<br />
сесквитерпеновые соединения, многие из которых нестабильны<br />
и существуют в виде смеси геометрических и структурных изоме-<br />
12 15<br />
JO 11 16<br />
13 18<br />
U13J-<br />
17<br />
_| I ' ' '<br />
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 ПО 120Время,мин<br />
Рис. 116. Хроматограмма полициклических ароматических углеводородов,<br />
содержащихся в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания<br />
и обладающих канцерогенной активностью. Стеклянная капиллярная<br />
колонка с полисилоксаном OV-101 длиной 100 м и диаметром 0,4 мм, давление<br />
гелия 1,3 кг/см, программирование температуры от 100 до<br />
265 °С со скоростью 2 град/мин<br />
/ - растворитель; 2 - нафталин; 3 - аценафтилен; 4 - аценафтен; 5 - фенантрен;<br />
6 - антрацен; 7 - флуорантен; 8 - пирен; 9 - бенз[а]флуорен; 10 -<br />
бенз[с]флуорен; // - бенз^,Ьд]флуорантен; 12 - бенз[а]антрацен; 13 - хризен;<br />
14 - бенз[Ь]флуорантен; 15 - бенз[е]пирен; 16 -бенз[а]пирен; /7-перилен; /S-<br />
6eH3[g,h,i]nepmieH; 19 - антантрен; 20 - коронен<br />
(А<br />
65<br />
62<br />
63<br />
95 93 14 I 97<br />
У If19 106<br />
;>°С изотерма 130 120 ПО 100 90 80 70 60 50 40<br />
Рис. 117. Хроматограмма летучих органических соединений в атмосфере<br />
г. Ленинграда, сконцентрированных в ловушке с Карбохромом. Разделение<br />
проведено на капиллярной колонке длиной 50 м и диаметром<br />
0,5 мм с полярной неподвижной фазой Ucon. Среди 173 идентифицированных<br />
с помощью масс-спектрометра компонентов выявлены следующие<br />
токсичные углеводороды: 13 - изобутан; 25 - бензол; 40 -<br />
м-гексан; 41 - толуол; 62 - этилбензол; 63-65 - изомерные ксилолы;<br />
91-93 - изомеры этилтолуола; 94-96 - изомеры триметилбензола; 97 -<br />
изопропилбензол; 98 - н-пропилбензол и др.<br />
365<br />
J<br />
L<br />
20
^JoJ<br />
о 20 40 60 80 100 Время, с<br />
Рис. 118. Хроматограмма искусственного жидкого топлива, полученного<br />
из каменного угля. Стеклянная капиллярная колонка с полисилоксаном<br />
OV-101 длиной 45 м и диаметром 0,15 мм. Программирование температуры<br />
от 0 до 220 0 C со скоростью 2 град/мин. Индентифицировано<br />
94 пика. Среди них:<br />
/ - н-гексан; 2 - бензол; 3 - циклогексан; 4 - толуол; 5 - ж-ксилол и п-ксилол;<br />
6 - изопропилциклогексан; 7 - тетралин; 8 - м-додекан; 9 - дифенилметан;<br />
IO - флуорен; // - диметилфлуорен; 12 - м-гептадекан<br />
0<br />
50<br />
JJL UUIiUiL ш У щ у IAAAJU Х~Х-<br />
15<br />
60<br />
30<br />
85<br />
45<br />
ПО<br />
60<br />
130<br />
75<br />
160<br />
12<br />
90 Время, мин<br />
185 0 C<br />
Рис. 119. Хроматограмма концентрата земляничного эфирного масла.<br />
Стальная колонка длиной 61 м и диаметром 0,25 мм с полярной неподвижной<br />
фазой Твин 20; аргоновый ионизационный детектор с радиоактивным<br />
стронцием. В смеси идентифицированы мзо-пентан, метилпентан,<br />
м-гексан, диэтиловый эфир, ацетальдегид, ацетон, 1,1-диметоксиэтоксиэтан,<br />
метилацетат, этилацетат, З-метилбутанон-2, метилизобутират,<br />
метилбутират, 1,2-этоксипропоксиэтан и другие соединения<br />
366<br />
\<br />
ров. Вследствие такой сложности состава анализ эфирных масел<br />
многие годы являлся пробным камнем для вновь появляющихся<br />
аналитических методов. В литературе описан ряд примеров использования<br />
капиллярной хроматографии при изучении этой<br />
группы объектов. Изучался состав эфирных масел лаванды, бергамота,<br />
жасмина, цитрусов (мандарина, лимона, апельсина), земляники<br />
[98-104] (рис. 119, 120).<br />
Интересно отметить одну из первых работ по исследованию<br />
летучих компонентов плодов, основанную на сочетании капиллярной<br />
хроматографии с масс-спектрометрией [105], и единственную<br />
в своем роде работу [106] по определению микроколичеств<br />
неоизопулегола путем совместного применения капиллярной<br />
хроматографии и ЯМР с накопителем, усредняющим большое<br />
число (600-800) спектров.<br />
Эфирные масла 14 эфироносов, произрастающих в России и<br />
сопредельных странах, в том числе масла розы, лаванды, кориандра,<br />
шалфея, фенхеля, хмеля и др., были подробно изучены с помощью<br />
капиллярной хроматографии [107-110]. На рис. 120 приведены<br />
примеры полученных хроматограмм. С помощью капиллярных<br />
колонок изучали также вещества, обусловливающие запах<br />
вареного картофеля [111], моркови [112], летучие выделения<br />
плодов [113], душистые компоненты напитков, в том числе веществ,<br />
определяющих букет вин [114-116]. Натуральные ароматические<br />
эссенции, в частности лимонное масло, изучали методом<br />
капиллярной хроматографии с программированием не только<br />
температуры, но и скорости газа-носителя [116, 117].<br />
Таким образом, в настоящее время капиллярная хроматография<br />
может считаться действенным и перспективным методом<br />
изучения состава эфирных масел и ароматических веществ.<br />
8.6. КАПИЛЛЯРНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ<br />
В БИОХИМИЧЕСКИХ<br />
И МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ<br />
Аналитические проблемы, связанные с изучением состава<br />
биологических сред и с анализом состава биологически активных<br />
веществ, находились в центре внимания исследователей с самого<br />
зарождения газохроматографических методов. В первые годы<br />
после появления газо-жидкостной хроматографии объектами исследования<br />
были в основном относительно летучие продукты.<br />
Однако уже в тот период определилась сфера приложения газо-<br />
367
10<br />
A Л_ JV<br />
_l 1 1 I I 1 1 L_<br />
40 60 80 100 120 140 160 180 Время, мин<br />
125 290 300 310 Время, мин<br />
13<br />
Л 12<br />
Iw IuJ—^ L<br />
40 50 60 70 80 90<br />
Время, мин<br />
Рис. 121. Нормальный метаболический профиль стероидов, анализируемых<br />
в форме О-метилоксимов триметилсилильных производных. Стеклянная<br />
капиллярная колонка длиной 60 м и диаметром 0,3 мм, неподвижная<br />
фаза полисилоксан SE-30 с добавкой коллоидного кремнезема<br />
Силанокс; программирование температуры со скоростью 1 град/мин;<br />
начальная температура колонки 200 0 C. Идентифицированы более 30<br />
компонентов. Среди них:<br />
/ - андростерон; 2 - этиохоланон; 3 - дегидроэпиандростерон; 4 - ]\ (3-оксиандростерон;<br />
5 - 16ос-оксидегидроэпиандростерон; 6 - прегнандиол; 7 - прегнантриол;<br />
8 - 5-андростен-3(3,16а,17р-триол; 9 - тетрагидрокортизон; 10 - тетрагидрокортизол;<br />
// - кортолон (5р-прегнан-Зр\17р\20а21-тетрол-11-ол); 12 -<br />
кортол(5Р-прегнан-За,11р,17|3,20а,21-пентол); 13 - бутиловый эфир холестерина<br />
(внутренний стандарт)<br />
40 60 80 100 160 180 200 Время, мин<br />
Рис. 120. Хроматограммы эфирных масел некоторых эфироносов [109].<br />
Капиллярная колонка с диоктилсебацинатом длиной 183 м и диаметром<br />
0,25 мм, при 140 0 C и давлении азота на входе 1,7 кг/см 2<br />
а - порезник горный; б - гладыш шершавый; в - лаванда; / - ос-пинен;<br />
2 - камфен; 3 - сабинен; 4 - (3-пинен; 5 - а-терпинен; 6 - Д 3 -карен; 7 - дипентен;<br />
8 - (3-фелландрен; 9 - /щимол; 10 - у-терпинен; / / - линалоол; 12 - линалилформиат;<br />
13 - линалилацетат; 14 - гераниол<br />
368<br />
жидкостной хроматографии к анализу жирных кислот с числом<br />
атомов углерода от 2 до 24, ряда их соединений липидного характера,<br />
а также веществ с большей летучестью, таких, как газообразные<br />
препараты для наркоза и анестезии, газы, участвующие в<br />
процессе дыхания, и т.п. С 1960 г. с помощью газовой хроматографии<br />
на наполненных колонках начали анализировать стероидные<br />
гормоны [118, 119]. В середине 1960-х гг. опубликовано<br />
несколько книг, обобщающих накопленный к тому времени<br />
опыт использования газовой хроматографии в медико-биологических<br />
исследованиях[120-122].<br />
Хотя первые попытки осуществить разделение стероидных<br />
гормонов на капиллярных колонках из нержавеющей стали оказались<br />
неудачными [123, 124], после развития техники приготовления<br />
высокоэффективных стеклянных капиллярных колонок с<br />
термостойкими неподвижными фазами [125-129] и разработки<br />
методов прямого ввода проб [130-134] был обеспечен успех в<br />
369
4 5<br />
10<br />
13<br />
13<br />
11<br />
\ lUjk^wvJ^-<br />
10<br />
Л<br />
JkM P J<br />
40 50 60 70 80<br />
Время, мин<br />
Рис. 122. Метаболический профиль стероидов в период беременности.<br />
Анализ О-метилоксимов триметилсилильных производных выполнен<br />
в тех же условиях, как указано в подписи к рис. 121. Идентифицированы<br />
22 компонента, среди них:<br />
1,2,9, 13 - см. в подписи к рис. 121; 3 - 11 (3-оксиандростерон; 4 - 16а-оксидегидроэпиандростерон;<br />
J - прегнандиол; 6 - прегнантриол; 7 - 5-андростен-<br />
3(3,16а,17Р-триол; 8 - эстриол. Увеличение концентрации компонентов<br />
4-8 характерно для периода беременности<br />
этой области и были созданы предпосылки для применения капиллярных<br />
колонок при изучении состава других труднолетучих<br />
биологически активных веществ.<br />
В сочетании с масс-спектрометрическими приборами и счетно-вычислительными<br />
устройствами капиллярные колонки позволили<br />
проводить широкие исследования, связанные с выявлением<br />
особенностей метаболизма стероидов в организме [135-139],<br />
его аномалий при различных заболеваниях [140, 141] и т.п. Последние<br />
две работы описывают целый ряд приложений капиллярной<br />
хроматографии для целей клинического анализа. Примеры<br />
хроматограмм, полученных в работе [138], приведены на рис.<br />
121, 122, 123.<br />
Важной для биохимии группой веществ являются жирные кислоты.<br />
Будучи одной из самых первых групп веществ, изученных с<br />
помощью газовой хроматографии, жирные кислоты разделялись и<br />
на капиллярных колонках [142-144]. В большинстве случаев эти<br />
вещества перед анализом переводятся в метиловые эфиры.<br />
370<br />
40 50 60 70 80 90<br />
Время, мин<br />
Рис. 123. Метаболический профиль стероидов пациентки с опухолью<br />
яичника, секретирующей тестостерон. Условия анализа и обозначение<br />
пиков те же, что в подписи к рис. 121. Резкое увеличение концентрации<br />
компонентов 1,2,4 и 7 указывает на наличие опухоли<br />
о<br />
О.<br />
В<br />
H<br />
о<br />
га<br />
CQ <br />
А<br />
10 20 30<br />
У<br />
Время, мин<br />
Рис. 124. Хроматограмма свободных жирных кислот. Стеклянная капиллярная<br />
колонка длиной 38 м с тримерной кислотой C 54 при 194 0 C и<br />
давлении азота 2 кг/см 2<br />
Идентифицированы кислоты: / - каприловая; 2 - каприновая; 3 - лауриновая;<br />
4 - миристиновая; 5 - пальмитиновая; 6 - олеиновая; 7 - стеариновая<br />
371<br />
11<br />
12<br />
К
%j^AuJWXwvjv<br />
ю<br />
о<br />
C<br />
155 мин. -<br />
Рис. 125. Хроматограмма летучих компонентов плазмы крови. Стальная<br />
капиллярная колонка длиной 100 м и диаметром 0,5 мм, неподвижная<br />
фаза - полимер Витконал LA-23 (фирма "Витко", США), скорость<br />
гелия 6 мл/мин при 25 0 C. Температуру колонки поддерживали 5 мин<br />
при 60 0 C, затем повышали до 160 0 C со скоростью 2 град/мин и далее<br />
поддерживали постоянной в течение 100 мин<br />
Анализ свободных кислот является более трудной задачей.<br />
Применение капиллярной хроматографии для этой цели оказалось<br />
возможным, например, с использованием специфической<br />
неподвижной фазы - тримерной кислоты С54 (продукта уплотнения<br />
олеиновой кислоты) [145, 146]. Эти работы во многих случаях<br />
позволяют существенно облегчить решение большого числа<br />
проблем биохимии жирных кислот (рис. 124).<br />
На основе сопоставления жирнокислотного состава внутриклеточных<br />
липидов разработаны методы выявления и дифференциации<br />
близких форм микроорганизмов, в том числе дрожжей,<br />
бактерий, сальмонелл и др. [147-149].<br />
Капиллярную хроматографию довольно широко применяют<br />
при изучении летучих компонентов биологических жидкостей и<br />
выделений человека и животных [150-156]. Эти исследования показали,<br />
с одной стороны, крайнюю сложность состава этих фракций<br />
(рис. 125), а с другой стороны, важность их изучения, связанную<br />
с выявленной при этом возможностью ранней диагностики<br />
ряда заболеваний (рис. 126, см. также рис. 123). В практике биохимических<br />
и биомедицинских исследований последних лет капиллярную<br />
хроматографию применяли для определения в плазме<br />
крови и других биологических средах витаминов, например а-токоферола<br />
[156], фармацевтических средств (кофеина, теобромина,<br />
барбитуратов) [157], психотропных средств [158] и многих<br />
других биологически активных веществ. Одна из полученных в<br />
этих работах хроматограмм приведена на рис. 127 [158]. Данные<br />
о применении капиллярных колонок при анализе биологически<br />
372<br />
РЭ<br />
-^ < л W UMoojJ UJU-SA^A^-<br />
Время, мин<br />
Рис. 126. Хроматограммы летучих компонентов мочи здорового человека<br />
(я) и пациента, больного диабетом (б). Капиллярная колонка из нержавеющей<br />
стали длиной 100 м и диаметром 0,5 мм с Эмульфором ON-<br />
870 (фирма "Супелко", США); скорость газа-носителя азота 5 мл/мин.<br />
Применяли "криогенный ввод" пробы, температуру колонки поддерживали<br />
16 мин при 60 0 C, затем повышали со скоростью 2 град/мин до<br />
175 0 C и далее поддерживали постоянной до окончания регистрации<br />
Хроматограммы. Идентифицированы следующие пики:<br />
/ - ацетон; 2 - этанол; 3 - пентанол; 4 - н-пропанол; J - диметилсульфид;<br />
6 - м-бутанол; 7 - 4-гептанон; 8 - 2-гептанон; 9 - аллил-изо-тиоцианат; 10 - пиррол;<br />
// - бутенил-изо-цианат. Повышение концентрации компонентов 1-3, 7 и<br />
// является признаком диабета<br />
373
О 5 10 15 20 25 30<br />
Время, мин.<br />
Рис. 127. Хроматограмма экстракта<br />
плазмы крови пациента после<br />
приема комбинации психотропных<br />
препаратов - антидепрессанта номифензина<br />
(8-амино-2-метил-4-<br />
фенил-1,2,3,4-тетрагидроизохинолина)<br />
и его бутильного и пропильного<br />
аналогов. Стеклянная капиллярная<br />
колонка с полисилоксаном<br />
OV-101 длиной 50 м и диаметром<br />
0,25 мм, температура при вводе<br />
пробы 120 0 C, затем в течение<br />
2 мин повышается до 200°С и далее<br />
повышается до 24O 0 C со скоростью<br />
2 град/мин; скорость газа-носителя<br />
(гелия) 2 мл/мин. Анализируемые<br />
объекты переводили в<br />
производные гептафтормасляной<br />
кислоты и регистрировали термоионным<br />
детектором. Эффективность<br />
колонки 96 400 теоретических<br />
тарелок (по н-октакозану):<br />
/ - номифензин; 2 - пропилномифензин;<br />
3 - бутилномифензин<br />
активных веществ, при изучение болезней человека и средств их<br />
лечения изложены в обзорах [159-162]. Имеется большое число<br />
работ, посвященных анализу биологически активных компонентов<br />
наркотических средств - табака, гашиша, марихуаны, других<br />
галлюциногенных препаратов [163-169].<br />
Помимо основных компонентов, определяющих наркотическое<br />
действие, было установлено наличие в этих продуктах ряда<br />
побочных весьма токсичных веществ.<br />
Так, в дыме сигарет с табаком и с марихуаной было найдено<br />
большое число токсичных ароматических углеводородов, в том<br />
числе обладающих явно выраженной канцерогенной активностью<br />
(рис. 128) [167].<br />
Изложенные в последнем разделе данные позволяют составить<br />
представление о современных аналитических возможностях<br />
капиллярной хроматографии. Этот метод позволяет определять<br />
состав веществ, способных существовать в газообразном или парообразном<br />
состоянии. Непревзойденным является богатство информации,<br />
которое можно получить, располагая образцом менее<br />
Ю -6 г. Эти возможности успешно реализуются как при разделении<br />
многокомпонентных смесей, так и при анализе смесей близ-<br />
374<br />
_| I I I I I L-<br />
10 20 30 50 70 90 ПО 130 150 170 0 C<br />
Рис. 128. Хроматограмма продуктов, входящих в состав табачного дыма<br />
сигарет. Стеклянная капиллярная колонка с полисилоксаном OV-<br />
101 длиной 138 м и диаметром 0,35 мм; скорость газа-носителя (гелия)<br />
3 мл/мин; температура в течение 8 мин после ввода пробы 2O 0 C, далее<br />
повышение до 200 0 C со скоростью 2 град/мин. Идентифицировано более<br />
130 компонентов, в том числе следующие токсичные продукты:<br />
/ - изопрен; 2 - бензол; 3 - толуол; 4 - стирол; 5 - пропилбензол; 6 - нафталин;<br />
7 - 2-метилнафталин; 8 - никотин; 9 - диметилфталат; 10 - диэтилфталат<br />
ких по свойствам изомеров или молекул, содержащих атомы разных<br />
изотопов одного элемента [170-173].<br />
Полная эффективность капиллярных колонок, выражаемая<br />
числом чистых теоретических тарелок, характеризующим их реальную<br />
разделяющую способность, в ряде случаев превышает<br />
500 тыс. теоретических тарелок и продолжает возрастать. В настоящее<br />
время капиллярная хроматография позволяет различать<br />
вещества, отличающиеся на 2-3 единицы молекулярной массы.<br />
Таковы случаи разделения изотопов кислорода, азота, неона<br />
[170], бензола, тридейтеробензола, тетрадейтеробензола и гексадейтеробензола<br />
[171], дейтерометанов, а также метана 12 C и метана<br />
13 C [172]. Потребности синтетической органической химии и<br />
биохимии выдвигают задачу анализа смесей веществ, различающихся<br />
наличием одного атома дейтерия или, более того, конфигурацией<br />
одного или двух имеющихся в молекуле атомов дейтерия<br />
или другого изотопа.<br />
Нет сомнений в том, что в настоящее время большинство моделей<br />
аппаратуры для капиллярной хроматографии обладают такой<br />
же точностью и надежностью в работе, как и приборы для<br />
газо-жидкостной хроматографии на наполненных колонках.<br />
Последние успехи в области методики приготовления капиллярных<br />
колонок позволяют предполагать, что в ближайшем будущем<br />
подготовка капиллярной колонки будет сведена к столь же<br />
знакомым и почти тривиальным операциям, какой стало наполнение<br />
обычных газохроматографических колонок. Перечисленные<br />
375
факторы являются вполне основательными предпосылками для<br />
все более широкого проникновения капиллярной хроматографии<br />
в лаборатории научно-исследовательских институтов, промышленных<br />
предприятий, больниц и других учреждений, что, несомненно,<br />
будет способствовать еще более быстрому и значительному<br />
прогрессу соответствующих отраслей науки и техники.<br />
ЛИТЕРАТУРА<br />
1. Henneberg D., Schomburg G. // Gas chromatography, 1962 / Ed. M. van<br />
Swaay L.: Butterworths, 1962. P. 191.<br />
2. Dorsey JA., Hunt R.H., O'Neal MJ. Il Anal. Chem. 1963. Vol. 35. P. 511.<br />
3. Watson J.T., Bieinann K. // Ibid. 1964. Vol. 36. P. 1135.<br />
4. Biemann K. Mass spectrometry. N.Y.: McGraw-Hill, 1962.<br />
5. Хмельницкий К.И., Бродский Е.С. Хромато-масс-спектрометрия.<br />
M.: Наука, 1972.<br />
6. Karasek F., Klement R.E. Basic gas chromatography - mass spectrometry.<br />
Amsterdam: Elsevier, 1988. Русс, пер.: Введение в хромато-масс-спектрометрию.<br />
M.: Мир, 1993.<br />
7. Farmer J.B. // Mass spectrometry / Ed. CA. McDowell. N.Y.: McGraw-<br />
Hill, 1972.<br />
8. Mathieu J., Panico R. Mecanismes reactionels en chimie organique. P.:<br />
Hermann, 1972. Рус. пер.: Курс теоретических основ органической<br />
химии. M.: Мир, 1975.<br />
9. Birch AJ.,'GrimshawJ., PenfoldA.R. et al. IIJ. Chem. Soc. 1961. P. 2286.<br />
10. Budzikievicz H., Djerassy C, Williams D.H. Interpretation of the mass spectra<br />
of organic compounds. San Francisco: Holden Day, 1965.<br />
11. Budzikiewicz H., Djerassi C, Williams D.H. Structure elucidation of natural<br />
products by mass spectrometry. Vol. 1, 2. San Francisco: Holden Day,<br />
1964.<br />
12. Budzikiewicz H., Djerassi C, Williams D.H. Mass-spectrometry of organic<br />
compounds. San Francisco: Holden Day, 1967.<br />
13. Mass spectrometry of organic ions / Ed. F.W. McLafferty. N.Y.: Acad.<br />
press, 1963.<br />
14. Bondarovich HA., Freeman S.K. Ц Interpretative spectroscopy / Ed.<br />
S.K. Freeman. N.Y.: Reinhold, 1965.<br />
15. McLafferti F.W. Interpretation of mass spectra. New York: Benjamin, 1966.<br />
16. Index of mass spectral data. Philadelphia: Amer. Soc. for Testing Materials,<br />
1963.<br />
17. Cornu A., Massot R. Compilation of mass spectral data. L.: Heyden, 1966.<br />
First Suppl. 1967. L.<br />
18. McFadden W. Techniques of combined gas chromatography / mass spectrometry:<br />
Applications in organic analysis. N.Y.: Wiley, 1973.<br />
19. McFadden W.H. // Advances in chromatography. N.Y.: Dekker, 1967.<br />
Vol. 4.<br />
20. Atlas of mass spectral data/Ed. E. Stenhagen etal. N. Y.: Interscience, 1967.<br />
21. Biemann K. // Pure and Appl. Chem. 1964. Vol. 9. P. 95.<br />
376<br />
22. Biemann K'., Bommer P.. Desiderio DM'. //Tetrahedron Lett. 1964. Vol. 26.<br />
P. 1725.<br />
23. Henneberg D., Schomburg G. Il Ztschr. anal. Chem. 1965. Bd. 211. S. 55.<br />
24. Brunee C, Delgmann L. II Chem. Ing. Techn. 1966. Bd. 38. S. 730.<br />
25. Горшков В.И., Танцырев Г.Д., Тальрозе BJI. Il Завод, лаб. 1966.<br />
T. 32, №3. С. 114.<br />
26. Тальрозе BJI., Танцырев Г.Д., Горшков В.И. // Журн. аналит. химии.<br />
1965. T. 20, № 1.C. 103.<br />
21. Brunee С, Jenckel L., Kronenberger K. II Ztschr. anal. Chem. 1962.<br />
Vol. 189. S. 50, 388.<br />
28. Руденко Б.А., Савчук С.А., Бродский Е.С. Il Журн. аналит. химии.<br />
1996. T. 51, №2. С. 182-201.<br />
29. Hammar CG. // Acta pharm. suec. 1971. Vol. 8. P. 129.<br />
30. Vecora M., Gasparie J. Detection and identification of organig compounds.<br />
N.Y.; L.: Plenum press, 1971.<br />
3\.Liebich HM. //J. Chromatogr. 1975. Vol. 112. P. 551.<br />
32. Watson JJ. II Ancillary techniques of gas chromatography / Ed. L.S. Ettre,<br />
W.H. McFadden. N.Y.: Wiley, 1969. P. 173-178.<br />
33. Hites RA., Biemann K. II Anal. Chem. 1967. Vol. 39. P. 965.<br />
34. Leemans FA., McCloskey JA. II J. Amer. Oil chem. Soc. 1967. Vol. 44.<br />
P. 11.<br />
35. Ryhage R. II Arkiv kemi. 1962. Vol. 20. P. 185.<br />
36. Teranishi R., Lundin R.E., McFadden W.H., Scherer J.R. // The practice of<br />
gas chromatography. N.Y.: Interscience, 1967. P. 407.<br />
37. Lindeman L.P., Annis JL. // Anal. Chem. 1960. Vol. 32. P. 1742.<br />
38. Kennett B.H. // Ibid. 1967. Vol. 39. P. 1506.<br />
39. McFadden W.H. // Separ. Sci.,1966. Vol. 1. P. 723.<br />
40. Biemann K., Watson JJ. // Monatsch. Chem. 1965. Bd. 96. P. 305.<br />
41. Watson JJ., Biemann K. // Anal. Ghem. 1965. Vol. 37. P. 844.<br />
42. Lipsky S.R., Horvath CG., McMurray WJ. Il Ibid. 1966. Vol. 38.<br />
P. 1585.<br />
43. KmegerP.M., McCloskey JA. // Ibid. 1969. Vol. 41. P. 1930.<br />
44. Becker E.W. // Separation of isotopes / H. Ed. London. L.: Newnes, 1961.<br />
P. 360.<br />
45. SaalfeldF.E. // Nat. Res. Lab. 1967. P. 6525.<br />
46. Ryhage R., Wilkstrom S., Waller G.R. Il Anal. Chem. 1965. Vol. 37. P. 435.<br />
47. Ryhage R. II Arkiv kemi. 1967. Vol. 26. P. 305.<br />
48. Present R.D. Kinetic theory of gases. N.Y.: McGraw Hill, 1958.<br />
49. Vbllmin JA., Ornura 1., Seibl J. et al. Il HeIv. chim. acta. 1966. Vol. 49.<br />
P. 1768.<br />
50. Ten Noever de Brauw M.C, Brunee C Il Ztschr. anal. Chem. 1967. Bd. 229.<br />
P. 321.<br />
51. Rees D.I. //Talanta. 1969. Vol. 16. P. 903.<br />
52. McLeod W.D., Jr., Nagy B. // Anal. Chem. 1968. Vol. 40. P. 841.<br />
53. Lawson A.M., Leemans FA., McCloskey JA. Il 15th Annual Conf. of Mass-<br />
Spectrometry and Allied Topics. Denver, 1967. P. 386. (ASTME-14).<br />
54. Watson JJ. Il Ancillary techniques of gas chromatography / Ed. L.S. Ettre,<br />
W.H. McFadden. N.Y.: Wiley, 1969. P. 386.<br />
377
55. Blumer M. 11 Anal. Chem. 1968. Vol. 40. P. 1590.<br />
56. Grayson MA., Wolf CJ. Il Ibid. 1967. Vol. 39. P. 1438.<br />
57. Lipsky S.R., McMurray WJ., Horvath C.G. II Gas chromatography, 1966 /<br />
Ed. A.B. Littlewood. L.: Inst. Petrol, 1967. P. 299.<br />
58. Lebovits A. // Mod. Plastics. 1966. Vol. 43. P. 139.<br />
59. Michaels A.S., Vieth W., Hoffman A.S., Alcalay HA. // J. Appl. Polym. Sci.<br />
1969. Vol. 13. P. 577.<br />
60. Arnold J.E., Fales HM. //J. Gas Chromatogr. 1965. Vol. 3. P. 131.<br />
61. Foltz RL., Neher M.B., Hinenkamp E.R. Il Anal. Chem. 1967. Vol. 39.<br />
P. 1338.<br />
62. Llewellyn P.M., Littlejohn D.P. Pat. 3471692 US. Publ. 1969.<br />
63. Elbert AA. // Usp. Khimii. 1973. Vol. 42. P. 2130.<br />
64. Updegrove W.S., Oro J., Zlatkis A. // J. Gas Chromatogr. 1967. Vol. 5.<br />
P. 359.<br />
65. LeferinkJ.G., Leclercq PA. /IJ. Chromatogr. 1971. Vol. 91. P. 385.<br />
66. Bruner F., Ciccioli P., Zelli S. Il Anal. Chem. 1973. Vol. 45. P. 1002.<br />
67. Henneberg D., Henricks H., Schomburg G. Il J. Chromatogr. 1975.<br />
Vol. 112. P. 343.<br />
68. Horning E.C., Horning M.G., Carroll D.I., et al. // Anal. Chem. 1973.<br />
Vol. 45. P. 937.<br />
69. Humppi T., Heinola K. /IL Chromatogr. 1985. Vol. 331. P. 410-418.<br />
70. Зенкевич И.Г., Иоффе Б.В. Интерпретация масс-спектров органических<br />
соединений. Л.: Химия, 1986. 176 с.<br />
71. Cserhdti Т., Valko К. Chromatographic determination of molecular interaction.<br />
Boca Raton (FIa.): CRC, press, 1994.<br />
72. Kaiser R. Computer Chromatography. Heidelberg: Huthig, 1983.<br />
73. Вулъфсон H.C., Заикин B.C., Микая А.И. Масс-спектрометрия органических<br />
соединений. M.: Химия, 1986. 312 с.<br />
74. Golay MJ.E. // Gas chromatography / Ed. VJ. Coates et al. N.Y.: Acad.<br />
press, 1958. P. 1.<br />
75. Dijkstra G., De Goey J. // Gas chromatography, 1958 / Ed. D.H. Desty. L.:<br />
Butterworths, 1958. P. 56. Русс. пер. в кн.: Газовая хроматография. M.:<br />
Изд-во иностр. лит., 1961. С. 61.<br />
76. Desty D.H., Goldup A., Swanton W.T. // Gas chromatography / Ed.<br />
N. Brenner et al. N.Y.; L.: Acad, press, 1962. P. 105.<br />
77. Polgar A. G., Hoist J. J., Groenings S. Il Anal. Chem. 1962. Vol. 34.<br />
P. 122G.<br />
78. Schneck E. // Brennstoff-Chem. 1963. Bd. 44. S. 354.<br />
79. Вигдергауз М.С. Газовая хроматография как метод исследования<br />
нефти. M.: Наука, 1973. 175 с.<br />
80. Гольберт KJI., Вигдергауз Л.С. Курс газовой хроматографии. M.:<br />
Химия, 1974. С. 233.<br />
81. EttreL.S. Open tubular column in gas chromatography. N.Y.: Plenum press,<br />
1965.58 р.<br />
82. Schomburg G. Il J. Chromatogr. 1960. Vol. 23, № 1. P. 18.<br />
83. Schomburg G. Il Chromatographia. 1971. Vol. 4. P. 286.<br />
84. Rifks JA., Van den Berg J.H.M., Diependaal J.P. // J. Chromatogr. 1974.<br />
Vol. 91. P. 606.<br />
378<br />
85. Sojak L., Hrivnak J., Ostrovsky J., Janak J. Il Ibid. P. 615.<br />
86. Mitra G.D., Mohan G., Sinha A. // Ibid., 1974. Vol. 91. P. 633.<br />
87. Shob V., Deur-Siftar D., Cramers CA. // Ibid. P. 650.<br />
88. Shob V., Deur-Siftar D. Il Ibid. P. 677.<br />
89. Harris W.E., Habgood H.W. Programmed temperature gas chromatography.<br />
N.Y.: Wiley, 1966. Русс, пер.: Газовая хроматография с программированием<br />
температуры. M.: Мир, 1968.<br />
90. Habgood H.W., Harris W.E. // Anal. Chem. 1962. Vol. 34.<br />
P. 882.<br />
91. Ettre L.S., Cieplinski K.W., Kabot FJ. //J. Gas Chromatogr. 1963. Vol. 1.<br />
P. 38.<br />
92. Krupcik J., Kristin M., Valachovicova M., Janiga S. // J. Chromatogr.<br />
1976. Vol. 126. P. 147.<br />
93. Cantutti A., Cartotii G.P., Liberti Z., Torri A. G. Il Ibid. 1965. Vol. 17.<br />
P. 60.<br />
94. Wilmhurst J.H. Il Ibid. P. 50.<br />
95. Novotny M., Lee ML., Bartle K.D. // J. Chromatogr. Sci. 1974. Vol. 12.<br />
P. 606.<br />
96. Doran T., McTaggart N.G. // Ibid. P. 715.<br />
97. Bertsch W., Anderson E., Holier G. II Chromatogr. 1976. Vol. 126.<br />
P. 213.<br />
98. BernhardRA. // Anal. Chem. 1962. Vol. 34. P. 1576.<br />
99. Calvarano L. // Essenze deriv. agr. 1964. Vol. 34. P. 169.<br />
100. Calvarano M., Calvarano L. // Ibid. P. 71.<br />
Wl. Buttera R.G., McFadden W. H., Buigucks N. I IJ. Food Sci. 1966. Vol. 31.<br />
P. 591.<br />
102. Calvarano M. 11 Essenze deriv. agr. 1965. Vol. 35. P. 81; 1966. Vol. 36.<br />
P. 237; 1967. Vol. 37. P. 27.<br />
103. Goretti G., Laencina SJ., Liberti A. // Riv. ital. essenze profumi. 1967.<br />
Vol. 49. P. 145.<br />
104. Teranishi R., Flath RA., Mon T.R. // J. Gas Chromatogr. 1966. Vol. 4.<br />
P. 77.<br />
105. McFadden W.H., Teranishi R. // Nature. 1963. Vol. 200. P. 329.<br />
106. Lundin E., Eisen R.F., Flath RA. et al. // Anal. Chem. 1966. Vol. 38.<br />
P. 291.<br />
107. Руденко Б.А., Пауков В.Н., Кучеров В.Ф. // Журн. аналит. химии<br />
1968. T. 23, С. 1247.<br />
108. Пауков В.Н., Руденко Б.А., Кучеров В.Ф. // Изв. АН СССР. Сер.<br />
хим. 1968. № 1. С. 15.<br />
109. Пауков В.Н., Иванова К.И., Шаворская Т.А. и др. // IV Междунар.<br />
конгресс по эфирным маслам, Тбилиси, 1968. M.: Пищ. пром-сть,<br />
1971.T. 1. С. 255.<br />
ПО. Buttery R.G., McFadden W.H., Teranishi R. et al. // Nature. 1963.<br />
Vol. 200. P. 435.<br />
111. SeIfR. H Recent advances in food science. L.: Butterworths, 1963. Vol. 3.<br />
P. 170.<br />
112. Self R., LandD. G., Casey J. C. 1/3. Sci. Food Agr. 1963 Vol.14. P. 209.<br />
113. Schultz Т.Н., Mon T.R., Forrey R.R. // J. Food Sci. 1970. Vol. 35. P. 165.<br />
379
114. Федякин А.А., Харченко В.A. Il Виноделие и виноградарство<br />
СССР. 1970. №7. С. 31.<br />
115. BricoutJ. II Ann. Techn. Agr. 1970. Vol. 19. P. 197.<br />
116. Mcleod W.D., Jr. // J. Agr. Food Chem. 1968. Vol. 16. P. 884.<br />
117. McLeod W.D., Jr. // Food Sci. 1968. Vol. 33. P. 436.<br />
118. Van-den-Heuvel WJA., Sweeley CC, Horning E.C // J. Amer. Chem.<br />
Soc. 1960. Vol. 82. P. 3481.<br />
119. Van-denJLeuvel WJ.A., Horning E.G. // Biochem. and Biophys. Res.<br />
Commun. 1960. Vol. 3.P. 356.<br />
120. Biomedical application of gas chromatography / Ed. H.A. Szymanski.<br />
N.Y.; Plenum press, 1964.<br />
121. Gas chromatographic determination of hormonal steroids /Ed. F. Polvan.<br />
N.Y.; L.: Acad, press, 1968.<br />
122. Литвинов Л.Д., Руденко Б.А. Газовая хроматография в биологии и<br />
медицине. M.: Медицина, 1971.<br />
123. Chen С, Lantz CD. // Biochem. and Biophys. Res. Commun. 1960.<br />
Vol. 3.P. 451.<br />
124. Lipski S.R., Landowne R. A. // Anal. Chem. 1961. Vol. 33. P. 810.<br />
125. Grob K. II HeIv. chim. acta. 1965. Vol. 48. P. 1362.<br />
126. Grob K. II Gas chromatography, 1966 / Ed. A.B. Liltlewood. Amsterdam:<br />
Elsevier. P. 113.<br />
127. Novotny M., Tesafik K. 11 Chromatographia. 1968. Vol. 1. P. 332.<br />
128. Grob K., Grob G. Hi. Chromatogr. Sci. 1969. Vol. 7. P. 584.<br />
129. Grob K. II HeIv. chim. acta. 1968. Vol. 51. P. 718.<br />
130. Novotny M., Zlatkis A. // J. Chromatogr. Sci. 1970. Vol. 8. P. 346.<br />
131. Cramers CA., Van Kessel MM. 11J. Gas Chromatogr. 1968. Vol. 6. P. 57.<br />
132. Grob K., Grob G. //i. Chromatogr. Sci. 1969. Vol. 7. P. 587.<br />
133. Groenendijk H., Van Kemenade A.W.C Il Chromatographia. 1969. Vol. 2.<br />
P. 107.<br />
134. Tesafik K., Novotny M. I I Gas-Chromatographie, 1968 / Ed. H.-G.<br />
Struppe. B.: Akade.-Verl. 1968. S. 575.<br />
135. SzafranekJ., Pfqffenberger CD., Horning E.C. Il Anal. Lett. 1973. Vol. 6.<br />
P. 479.<br />
136. Mathews R.G., Schwartz R.D., Pfaffenberger CD. et al. // J. Chromatogr.<br />
1974. Vol. 99. P. 51.<br />
137. Horning E.C, Horning M.G., SzafranekJ. et al. Il Ibid. Vol. 91. P. 367.<br />
138. Pfaffenberger CD., Horning E.C. Il Ibid. 1975. Vol. 112. P. 581.<br />
139. Jellum E., Helland P., Eldjarn L. et al. // Ibid. P. 573.<br />
140. Eldjarn L., Jellum E., Stokke O. Il Ibid. 1974. Vol. 91. P. 353.<br />
141. Liebich HM., Al-Babbily O. // Ibid. 1975. Vol. 112. P. 539.<br />
142. Lipsky S.R., Lovelock J.E., Landowne RA. // J. Amer. Chem. Soc. 1959.<br />
Vol. 84. P. 1019.<br />
143. Heintz M., Gregoire J., Lefort D. Il Oleagineaux. 1965. Vol. 20. P. 517.<br />
144. Litchfield C, lsbell A.F., Reiser R. Il J. Amer. Oil Chem. Soc. 1962.<br />
Vol. 39. P. 330.<br />
145. Averill W. // J. Gas Chromatogr. 1963. Vol. 1. P. 22.<br />
146. Zoccolillo L., Liberti A., Goretti G.C. Il J. Chromatogr. 1969. Vol. 43.<br />
P. 407.<br />
147. Moss CW., Lewis J.V. // Appl. Microbiol. 1967. Vol. 15. P. 300.<br />
148. Moss CW., Dees S.B. // J. Chromatogr. 1975. Vol. 112. P. 595.<br />
149. Alexander M. // Food Technol. 1970. Vol. 24. P. 68.<br />
150. Zlatkis A., Lichtenstein HA., Tishbee A. // Chromatographia. 1973. Vol. 6.<br />
P. 6.<br />
151. Zlatkis A., Kim K. // J. Chromatogr. 1976. Vol. 126. P. 475.<br />
152. Zlatkis A., Bertsch W., Lichtenstein HA. et al. // Anal. Chem. 1973.<br />
Vol. 45. P. 763.<br />
153. Bertsch W., Shunbo F., Chang R.C., Zlatkis A. Il Chromatographia. 1974.<br />
Vol. 7. P. 128.<br />
154. Zlatkis A., Andrawes F. // J. Chromatogr. 1975. Vol. 11. P. 533.<br />
155. Liebich HM. // Ibid. P. 551.<br />
156. Stafford M., Horning M.G., Zlatkis A. I/ Ibid. 1976. Vol. 126. P. 495.<br />
157. Lin S.N., Horning E.C. Il Ibid. 1975. Vol. 112. P. 465.<br />
158. Stillwell H.N., Stillwell W.G. // Ibid. 1976. Vol. 126. P. 547.<br />
159. Bailey E., Fenoughty M., Richardson L. // Ibid. 1977. Vol. 131. P. 347.<br />
160. Vollmin JA. II Chromatographia. 1970. Vol. 3. P. 238.<br />
161. Novotny M., Zlatkis A. // Chromatogr. Rev. 1971. Vol. 14. P. 1.<br />
162. Jellum E., Storseth P., Alexander J. et al. //J. Chromatogr. 1976. Vol. 126.<br />
P. 487.<br />
163. Bartle K.D., Bergstedt L., Novotny M., Widmark G. Il Ibid. 1969. Vol. 45.<br />
P. 256.<br />
164. Hammar CG., Holmstedt B., Lindgren J.E., Tham R. // Adv. Pharmacol.<br />
Chemother. 1969. Vol. 7. P. 53.<br />
165. Horning M.G., Lertratanangkoon K.,NowlinJ. et al.//J. Chromatogr. Sci.<br />
1974. Vol. 12. P. 630.<br />
166. Carugho N., Rossi S. // J. Gas Chromatogr. 1967. Vol. 5. P. 103.<br />
167. Holzer G., Oro J., Bertsch W. // J. Chromatogr. 1976. Vol. 126. P. 771.<br />
168. Maskarinec M.P., Alexander G., Novotny M. // J. Ibid. P. 559.<br />
169. Bibliography on the analysis of drug of abuse. //J. Chromatogr. Sci. 1972.<br />
Vol. 10. P. 352.<br />
170. Bruner F., Cartoni G.P. // Anal. Chem. 1964. Vol. 36. P. 1522.<br />
171. Bruner F., Cartoni G.P. /IL Chromatogr. 196. Vol. 10. P. 396.<br />
172. Bruner F., Cartoni G.P., Possanzini M. // Anal. Chem. 1969. Vol. 41.<br />
P. 1122.<br />
173. Schomburg G., Henneberg D. // Chromatographia. 1968. Vol. 1. P. 23.<br />
380
Глава 9<br />
ЦИРКУЛЯЦИОННАЯ ГАЗОВАЯ<br />
ХРОМАТОГРАФИЯ<br />
9.1. ВВЕДЕНИЕ<br />
В связи с углубленными исследованиями в области современной<br />
органической химии возникает необходимость в проведении<br />
тонких аналитических и препаративных разделений органических<br />
соединений, крайне мало различающихся друг от друга по<br />
строению и свойствам (например, близких структурных и пространственных<br />
изомеров или соединений, содержащих в молекуле<br />
разные изотопы одного и того же элемента). Использование<br />
для решения этой проблемы классических методов, распространенных<br />
в лабораторной практике (дистилляция, экстракция, кристаллизация<br />
и т.д.), далеко не всегда приводит к желаемым результатам.<br />
Более того, по мере усложнения задачи тонкого препаративного<br />
разделения все в большей степени выявляются ограниченные<br />
возможности таких методов. Трудности разделения<br />
изомеров и изотопно-замещенных соединений усугубляются также<br />
тем, что часто вновь синтезируемые органические соединения<br />
доступны лишь в очень малых количествах. Вместе с тем весьма<br />
существенная разница в химических свойствах и в биологической<br />
активности ряда изомерных молекул делает проблему их разделения<br />
и раздельного изучения исключительно актуальной.<br />
Современный уровень газохроматографической методики и<br />
техники обеспечивает возможность разделения веществ, весьма<br />
близких по строению и свойствам. Однако в большинстве случаев<br />
хроматографические методы, характеризующиеся высокой<br />
эффективностью разделения, имеют крайне низкую производительность,<br />
позволяющую работать с пробами массой КГ'-КГ 6 г.<br />
Такие системы - капиллярные колонки, наполненные колонки<br />
малого диаметра и большой длины (вплоть до 100 м) и короткие<br />
наполненные колонки, включенные в циркуляционную схему, с<br />
382<br />
успехом используются при анализе многокомпонентных смесей<br />
близких структурных и пространственных изомеров, а также<br />
изотопов и изотопно-замещенных соединений. Эффективность<br />
же препаративного разделения проб смесей веществ, даже в пределах<br />
нескольких десятых долей грамма, обычно значительно<br />
ниже и редко превышает 3-5 тыс. т.т. По-видимому, в настоящее<br />
время в области газовой хроматографии единственным методическим<br />
вариантом, обеспечивающим возможность разделения<br />
граммовых проб веществ с эффективностью порядка 30-50 тыс.<br />
т.т., является препаративная циркуляционная хроматография.<br />
Со времени опубликования первых обзоров по циркуляционной<br />
газовой [1] и жидкостной [2] хроматографии в печати появились<br />
новые сообщения, развивающие теорию и расширяющие<br />
область применения этого метода.<br />
Наиболее широкое применение находит, в основном, проявительная<br />
циркуляционная газовая хроматография, которая, однако,<br />
не является единственным способом циркуляционного разделения.<br />
Варианты циркуляционного метода нашли применение в<br />
теплодинамической газовой [3], жидкостной [4-29] и тонкослойной<br />
[30] модификациях хроматографии. В работах [31-34] описано<br />
препаративное разделение ряда веществ. Для некоторых случаев<br />
особо тонких разделений представляется перспективной капиллярная<br />
циркуляционная хроматография [35, 36].<br />
9.2. ВАРИАНТЫ ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ<br />
ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ. АППАРАТУРА<br />
Высказанная Мартином [37, 38] идея циркуляции разделяемой<br />
пробы в замкнутом цикле со слоем сорбента нашла практическое<br />
воплощение в двух отличающихся друг от друга аппаратурно-технических<br />
решениях. В первом случае циркуляция пробы<br />
и подвижной фазы осуществляется в одном цикле за счет действия<br />
циркуляционного насоса. Во втором варианте рециркуляция<br />
подвижной фазы не происходит, а циркуляция полосы разделяемых<br />
соединений осуществляется за счет периодического изменения<br />
направления газового потока с помощью специальных<br />
крановых или клапанных переключающих устройств.<br />
В 1959-1960 гг. Портер и Джонсон [39-^4-1] описали первую<br />
циркуляционную установку, представлявшую собой замкнутый<br />
контур с двумя хроматографическими колонками, детектором,<br />
дозирующим устройством и циркуляционным насосом пери-<br />
383
стальтического типа. Аналогичную установку, отличающуюся<br />
лишь тем, что вместо перистальтического насоса был применен<br />
поршневой, использовали в работах [42, 43]. Для установок подобного<br />
рода наблюдалось значительное расширение хроматографических<br />
пиков вследствие перемешивающего действия насоса<br />
и больших мертвых объемов в замкнутой системе, что не позволяло<br />
получить высокую эффективность разделения. Кроме того,<br />
весьма ограниченным оказался температурный диапазон работы<br />
таких циркуляционных насосов.<br />
В период 1960-1970 гг. появились циркуляционные установки<br />
периодического действия с переключающими устройствами<br />
[44-50], в которых полоса хроматографируемых соединений циркулирует,<br />
минуя насос. Это позволило повысить эффективность<br />
разделения. Однако переключение кранов приводит к сильным<br />
пневматическим возмущениям, связанным с перераспределением<br />
давлений в колонке. Это вызывает дополнительное размывание<br />
хроматографической полосы, что не позволяет осуществить<br />
большое число циклов. При сравнении двух описанных систем в<br />
работе [49] было отдано предпочтение циркуляционной схеме с<br />
насосом в основном цикле.<br />
Существенное развитие циркуляционной хроматографии было<br />
связано с применением переключателей газовых потоков в<br />
разнообразных циркуляционных схемах полунепрерывного и непрерывного<br />
действия, предназначенных главным образом для<br />
препаративной и промышленной хроматографии. Среди полунепрерывных<br />
систем можно отметить установки, в которых порции<br />
разделяемой смеси вводятся в каждом полуцикле в среднее сечение<br />
циркулирующей хроматографической полосы, а отбор разделенных<br />
продуктов осуществляется путем отсечения концевых<br />
участков хроматографических зон каждого компонента [51, 52].<br />
К системам непрерывного действия можно отнести циркуляционные<br />
установки, в которых ввод пробы осуществляется за счет поочередного<br />
открытия и закрытия расположенных по окружности<br />
тороидальной колонки клапанов при неподвижных колонках<br />
[53-55], и установки, в которых сечение питания остается неподвижным<br />
за счет вращения или возвратно-поступательного движения<br />
колонок [56-64]. Отметим также циркуляционные установки,<br />
основанные на использовании фронтального варианта хроматографии<br />
[65-67]. Обладая высокой производительностью по количеству<br />
разделяемых веществ, описанные устройства, однако, не<br />
решали проблему высокоэффективного препаративного разделения<br />
близких структурных и пространственных изомеров или изотопно-замещенных<br />
соединений, что является наиболее трудными<br />
задачами для химика-органика и инженера-технолога.<br />
384<br />
Рис. 129. Схема циркуляционной установки<br />
с необогреваемым переключающим<br />
устройством<br />
/ - циркуляционный кран; 2 - дозаторы;<br />
3 - хроматографические колонки; 4 - пневмосопротивления;<br />
5 - детектор; 6 - клапаны-переключатели<br />
потока; 7 - вентиль<br />
Недостатком многих циркуляционных<br />
схем с переключением газовых<br />
потоков является то, что разделяемая<br />
смесь проходит через каналы переключающихся<br />
кранов или клапанов.<br />
Это приводит к необходимости обогрева<br />
переключающих устройств, что<br />
снижает надежность их работы,<br />
уменьшает температурный диапазон<br />
применения метода, увеличивает мертвые газовые объемы и не<br />
исключает возможности деструкции термолабильных соединений<br />
при их соприкосновении с нагретыми металлическими поверхностями.<br />
В таких схемах затруднительно применять элементы<br />
аппаратуры, выполненные из стекла.<br />
Для преодоления перечисленных недостатков были предложены<br />
циркуляционные схемы, в которых кран-переключатель<br />
вынесен за пределы термостата. Температурные ограничения в<br />
этом случае связаны лишь с термостойкостью неподвижной жидкой<br />
фазы.<br />
Однако вынос переключающего крана за пределы циркуляционного<br />
контура привел к значительным непроизводительным<br />
потерям газа-носителя и разделяемых веществ, удаляемых в атмосферу<br />
через дроссели, соединявшие входы и выходы колонок<br />
[68-70], или через вспомогательные колонки с высоким сопротивлением<br />
газовому потоку [71, 72]. Дальнейший прогресс в циркуляционной<br />
газовой хроматографии был достигнут благодаря использованию<br />
обратных клапанов либо запорных клапанов-прерывателей<br />
газового потока принудительного действия [73-75],<br />
заменивших экономически невыгодные дроссели. Одна из возможных<br />
модификаций циркуляционной схемы с вынесенным из<br />
обогреваемой зоны краном-переключателем представлена на<br />
рис. 129.<br />
Разработка циркуляционной техники разделения нашла отражение<br />
в ряде российских (ЛХП-4, ЛХП-7И, ЛХМ-9) и зарубежных<br />
приборов. Разработанные СКВ ИОХ АН СССР универсаль-<br />
Руденко Б.А. Т. 1 385
ные циркуляционные блоки с ручным управлением, а также с<br />
программированием и автоматическим переключением циркуляционного<br />
крана ПЦУ-1, ПЦУ-2, приборы для хроматографии в<br />
парах воды и переключения колонок П-1, П-2 позволили легко<br />
коммутировать различные варианты циркуляционной схемы с<br />
аналитическими и препаративными газовыми хроматографами,<br />
например ЛХМ-8МД, ЛХП-5И и др. Был разработан также специализированный<br />
капиллярный циркуляционный газовый хроматограф<br />
Биохром-27 (СКБ ИОХ АН СССР).<br />
9.3. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ<br />
ПРОЦЕССА ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ<br />
ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ<br />
ЗАВИСИМОСТЬ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗДЕЛЕНИЯ<br />
ОТ ЧИСЛА ПРОВЕДЕННЫХ ЦИКЛОВ ХРОМАТОГРАФИИ<br />
Ранние теоретические исследования зависимости эффективности<br />
разделения от числа проведенных циклов в циркуляционной<br />
схеме предполагали линейный рост числа теоретических тарелок<br />
при увеличении числа колонок, пройденных хроматографической<br />
зоной [47, 76, 77]. Однако эксперименты показали, что<br />
рост эффективности разделения обычно замедляется при увеличении<br />
числа пройденных колонок. Подобное снижение эффективности<br />
отмечено в работе [49]. Сакодынский с сотр. [32, 78, 79]<br />
наблюдали заметное уменьшение прироста эффективности с увеличением<br />
числа циклов в циркуляционной препаративной установке.<br />
С целью более полного использования возможностей циркуляционной<br />
схемы проводили отбор оконечных зон пиков, не<br />
дожидаясь их полного разделения.<br />
Аналогичное замедление роста эффективности разделения с<br />
каждым новым циклом показано в работах [80, 81]. Наблюдаемый<br />
эффект объясняли влиянием нестационарностей течения газового<br />
потока, возникающих при переключении циркуляционного крана.<br />
Часть пробы, находящейся в газовой фазе, из-за резкого перераспределения<br />
давления в колонках при переключении крана быстро<br />
сжимается и продвигается вперед относительно той части пробы,<br />
которая находится в сорбированном состоянии в неподвижной фазе;<br />
при конечной скорости массопередачи это приводит к дополнительному<br />
размыванию хроматографической полосы.<br />
В описанных выше условиях перспективным представлялось<br />
использование длинных колонок (10 м и более) [33], позволявших<br />
386<br />
сократить число переключений циркуляционного крана и тем самым<br />
замедлить размывание хроматографических полос разделяемых<br />
соединений на всю длину колонки. Аналогичные соображения,<br />
по-видимому, побудили авторов работ [82-85] при разделении<br />
изотопно-замещенных соединений воспользоваться колонками<br />
длиной 8-15 м.<br />
Выявившиеся на этом этапе развития циркуляционной хроматографии<br />
ограничения в достигаемой с ее помощью эффективности<br />
разделения породили у исследователей некоторый<br />
скепсис [86], который удалось преодолеть лишь после глубокого<br />
анализа эффектов импульсного сокращения и расширения хроматографических<br />
зон.<br />
ЭФФЕКТ ИМПУЛЬСНОГО СОКРАЩЕНИЯ<br />
ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЙ ЗОНЫ<br />
По аналогии с импульсно-термическим обогащением [87]<br />
хроматографической полосы получил свое название эффект импульсного<br />
сокращения [88-90] хроматографической зоны. Сущность<br />
этого эффекта состоит в следующем. Если в первой по ходу<br />
движения газа-носителя хроматографической колонке циркуляционной<br />
схемы линейная скорость подвижной фазы больше,<br />
чем во второй колонке (вследствие наличия делителя потока), то<br />
в первой колонке задняя граница зоны за время t пройдет расстояние<br />
/°= f 0 VU + *'). (9-D<br />
а передняя граница зоны во второй колонке за то же время t<br />
пройдет расстояние<br />
Z 1 0 = t 0 -U 2 /(I + к'), (9-2)<br />
где и, им 2 -линейные скорости газа-носителя в первой и второй<br />
колонках, к' - коэффициент извлечения. Вследствие отбора части<br />
газа-носителя между колонками и, > U 1 , т.е. Z 1 0 > I 1 . Поэтому<br />
переход полосы из одной колонки в другую сопровождается сокращением<br />
хроматографической зоны в соотношении<br />
& = % = Ь- = 1-а/100,<br />
h «1 (9-3)<br />
где а - выраженная в процентах массовая доля газа-носителя,<br />
удаляемого между колонками 1 и 2. Таким образом, при переключении<br />
циркуляционного крана будет происходить сокращение<br />
хроматографической зоны.<br />
13* 387
Для колонок, состоящих из большого числа одинаковых секций,<br />
ширина пика v m , расстояние между максимумами пиков An 1n<br />
и степень разделения R m изменяются с числом пройденных колонок<br />
т следующим образом:<br />
V 1n = V 1 -Jm-.<br />
An 1n =An 1 In; (9_ 5)<br />
(9_4)<br />
R 1n = R 1 Jm, (9_ 6 )<br />
где и,, Ди, и /, - параметры хроматографическои полосы после<br />
прохождения ею первой колонки. Формулы (9-4)-(9-6) описывают<br />
линейный рост эффективности разделения с числом пройденных<br />
колонок.<br />
В импульсном режиме ширина зоны в начале второй колонки<br />
равна v® = bv x . Вследствие размывания зоны при прохождении<br />
второй колонки ширина будет равна<br />
U 2 =V^TT-U 1 . (9-7)<br />
После перехода зоны в третью колонку ширина полосы сократится<br />
до<br />
v° 2 =Jb 4 +b 2 -v„ (9-8)<br />
а затем увеличится до следующего значения:<br />
U 3 = -^+6 2 +1-и,. (9-9)<br />
Вследствие чередования процессов сокращения и размывания полосы<br />
ширина хроматографическои зоны после прохождения т<br />
колонок будет равна:<br />
2т<br />
Vm = V^'- 1 ' + b 2im ~ 2) +... +Wl • v x = ^-fr- • «i ( 9 " 1 °)<br />
Таким образом, расширение зоны хроматографируемого соединения<br />
в циркуляционной системе с отбором части газа между<br />
колонками протекает менее интенсивно, чем это предусмотрено<br />
уравнением (9-1). Рост ширины зоны ограничен пределом<br />
достигаемым при т —> °°,<br />
1<br />
l-o 2 " 1<br />
388<br />
(9-И)<br />
Аналогичные рассуждения можно применить при рассмотрении<br />
изменения расстояния между максимумами полос двух хроматографируемых<br />
соединений. После прохождения зоной т колонок<br />
расстояние между максимумами полос будет составлять:<br />
An 1n =Ь*1 д, (9-12)<br />
'" \-Ь '<br />
Из этой формулы следует, что Ап т в циркуляционной схеме с отбором<br />
растет менее интенсивно, чем это следовало ожидать из<br />
(9-2). Значение An n , при т —> °° будет равно<br />
Дл„ =-Ц- An 1 , (9-13)<br />
1-0<br />
то есть расстояние между максимумами полос в циркуляционной<br />
схеме с отбором ограничено некоторым предельным значением.<br />
Используя (9-10) и (9-12), можно получить<br />
^=J^bZ.^. (9-14)<br />
'" Ь-b 1 + о т '<br />
Из (9-14) следует, что рост степени разделения также ограничен<br />
предельным значением:<br />
Vl-o<br />
Экспериментальную проверку теоретических представлений<br />
об импульсном режиме хроматографии проводили [89] на примере<br />
модельной смеси бензола и циклогексана. На рис. 130 приведены<br />
полученные зависимости.<br />
Из полученных данных следует, что при отборе части газового<br />
потока хроматографическая зона приходит с течением времени к<br />
некоторому равновесному состоянию, при котором практически<br />
прекращается размытие зоны и одновременно перестают изменяться<br />
значения v„„ An n и R n ,. Несоответствие экспериментальных<br />
кривых кривым, отвечающим формулам теории (9-4), (9-5) и (9-6),<br />
объясняется проявлением эффекта импульсного расширения зоны.<br />
ЭФФЕКТ ИМПУЛЬСНОГО РАСШИРЕНИЯ<br />
ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОИ ЗОНЫ<br />
По своему действию эффект импульсного расширения хроматографическои<br />
зоны [90, 91] противоположен эффекту, рассмотренному<br />
выше, и обусловлен наличием градиента линейной<br />
скорости газа-носителя в колонках газо-хроматографической<br />
циркуляционной схемы.<br />
389<br />
'
I<br />
г- о<br />
* о «0<br />
Vo<br />
©*о<br />
50<br />
I<br />
со" cs" cs"<br />
О \<br />
о X<br />
S. О X,<br />
^ ^ о X,<br />
I I I I I I<br />
«о<br />
I 1 - 1 — .<br />
cs" cs" cs" S-<br />
—<br />
-<br />
о<br />
cs<br />
VO<br />
cs<br />
OO<br />
Tf<br />
S<br />
-Sf<br />
CS<br />
о<br />
cs<br />
VO<br />
CS<br />
OO<br />
Tf<br />
5<br />
cs<br />
OO<br />
CS<br />
Tf<br />
cs<br />
16 20<br />
cs<br />
OO<br />
Tf<br />
§<br />
с<br />
е<br />
<<br />
CQ<br />
О<br />
* S<br />
с<br />
S<br />
S<br />
я<br />
5<br />
S<br />
S<br />
о<br />
се<br />
S<br />
H<br />
*<br />
CJ<br />
S<br />
я<br />
IX<br />
о<br />
о<br />
СО<br />
D.<br />
,—~ ,в,<br />
CJ<br />
E-<br />
O<br />
О<br />
3<br />
CC<br />
ч<br />
о<br />
с<br />
ев<br />
X<br />
СЗ<br />
S<br />
с<br />
.M<br />
л<br />
X<br />
S<br />
а<br />
S<br />
а S<br />
Б<br />
о<br />
S<br />
U<br />
S<br />
я<br />
CS<br />
С*!<br />
S<br />
5<br />
TJ-<br />
CS<br />
UT-<br />
S<br />
•в-<br />
Я<br />
D.<br />
U<br />
О<br />
W*<br />
Ж<br />
В.<br />
I<br />
S<br />
и.<br />
3"<br />
о<br />
E-<br />
к"<br />
S<br />
X<br />
CJ<br />
Я<br />
а.<br />
г-.<br />
>><br />
CL<br />
CJ<br />
О<br />
X<br />
E-<br />
2<br />
>-,<br />
»<br />
Б<br />
E-<br />
O)<br />
со<br />
E-<br />
O<br />
О<br />
i<<br />
3<br />
а<br />
S<br />
Q.<br />
X<br />
л<br />
S<br />
X<br />
CJ<br />
я<br />
X<br />
о<br />
о<br />
S<br />
аз<br />
О<br />
Ч<br />
S<br />
S<br />
>><br />
ч<br />
о<br />
X<br />
я<br />
5<br />
S<br />
E-<br />
O<br />
S<br />
к<br />
S<br />
X<br />
1)<br />
ч<br />
со<br />
я<br />
а<br />
S<br />
X<br />
CJ<br />
с<br />
CJ<br />
=3<br />
X<br />
CJ<br />
о<br />
X<br />
« о<br />
X<br />
л<br />
со<br />
я »<br />
2<br />
с<br />
1—1<br />
Il<br />
X<br />
CU<br />
CJ<br />
S<br />
X<br />
СО<br />
ч<br />
CQ<br />
я<br />
я<br />
CJ<br />
о<br />
X<br />
и<br />
о<br />
CQ<br />
„<br />
J<br />
я<br />
X<br />
о<br />
CO<br />
CJ<br />
с<br />
<<br />
T —<br />
о I<br />
S ^<br />
S s<br />
* я<br />
1 §<br />
en 4)<br />
S Ч<br />
* CJ<br />
о S<br />
= и<br />
§ S<br />
* I<br />
в я<br />
* о<br />
иО 1 P *"<br />
ч о<br />
U<br />
X ^5<br />
Cj<br />
о<br />
5 -„<br />
CJ<br />
Il<br />
5 ч<br />
т CS,<br />
Сущность этого эффекта состоит в следующем. В отсутствие<br />
отбора газа между колонками линейная скорость газа-носителя в<br />
них непрерывно возрастает. При этом передняя граница зоны будет<br />
двигаться во второй колонке со средней скоростью, большей,<br />
чем задняя граница, остающаяся в первой колонке. Разная скорость<br />
движения границ зоны в сочетании с последующим импульсным<br />
перераспределением скоростей будет приводить в каждом<br />
полуцикле к дополнительному размыванию полос хроматографируемых<br />
соединений, прогрессирующему от цикла к циклу.<br />
Поэтому распространение хроматографической зоны на всю<br />
длину колонки циркуляционной схемы наступит несколько раньше,<br />
чем это следует из соотношений (9-4) и (9-5).<br />
Изменения основных хроматографических характеристик в<br />
зависимости от числа т пройденных колонок при наличии эффекта<br />
импульсного расширения хроматографической зоны описываются<br />
следующими соотношениями:<br />
&о = —; (9-16)<br />
(9-17)<br />
h m -I<br />
An m =^-f An 1 ,, (9-18)<br />
где b 0 - фактор расширения зоны хроматографируемых соединений<br />
(Ь 0 > 1); и х , U 2 - средние линейные скорости газа-носителя в<br />
первой и второй по ходу газа колонках. Согласно уравнению<br />
(9-11), рост R n , ограничен предельным значением:<br />
*. = *J^4. (9-19)<br />
/P 0 -I<br />
Фактор Ь 0 зависит от отношения С давления на входе к давлению<br />
на выходе циркуляционной установки. Для С
где и т - локальная линейная скорость газа-носителя на выходе<br />
первой по ходу газа колонки. Отсюда для Ь 0 получаем выражение:<br />
h = \4 -Vc.
схемы а можно приближенно оценить на основе уравнения материального<br />
баланса:<br />
S 1 U 1 Ci 1 = S 2 [U 1 U 1 +(Xu 1 Ci 1 ), (9-24)<br />
где S 1 , S 1 - площади поперечного сечения колонок, занимаемые<br />
газом в первой и второй колонках циркуляционной системы, d b<br />
Cl 1 - плотности газа в выбранных сечениях. При равенстве сечений<br />
колонок в точках, расположенных в середине длины колонок,<br />
будет соблюдаться соотношение:<br />
a = I-U 1 Ci 2 /U 1 Cl x . (9-25)<br />
Для безимпульсного режима хроматографии и, = U 1 , и поэтому<br />
«опт = l~d 2 Id x =\-Р 1 /Р ] , (9-26)<br />
т.к. плотность газа пропорциональна давлениям P 1 и P 2 в средних<br />
сечениях первой и второй колонок.<br />
При малых значениях а и С давление в колонках падает от Р вх<br />
к Р кых почти по линейному закону. В этих условиях с некоторым<br />
приближением можно записать, приняв за единицу суммарную<br />
длину обеих колонок циркуляционной схемы:<br />
Отсюда получим:<br />
/> = />_^Lz^o) = (3/4C + l/4)/> 0 (9-27)<br />
3(P -P)<br />
P 2 = P 1 — v i ° ; =(l/4C + 3/4)P 0 . (9-28)<br />
"^ = ^ ¾ (9-29)<br />
опт з с + 1<br />
Таким образом, повышение давлений на входе и выходе циркуляционной<br />
схемы при заданном перепаде давления позволяет<br />
достичь значений С, близких к единице, что приводит к соответствующему<br />
снижению фактора Ь 0 . Однако полное погашение эффекта<br />
импульсного расширения хроматографической зоны достигается<br />
в результате импульсного сокращения зоны, проявляющегося<br />
при отборе части газового потока после первой колонки<br />
циркуляционной схемы.<br />
Проверку изложенных рассуждений проводили [91] на циркуляционной<br />
системе с регулируемым отбором газа. Снятая в этих<br />
условиях зависимость п от т имела линейный характер (прямая<br />
линия на рис. 132 в достаточно широком интервале значений т<br />
(до 19 полуциклов).<br />
394<br />
Рис. 133. Графики зависимости<br />
числа теоретических тарелок п от<br />
числа полуциклов т; 1 - кривая,<br />
полученная при C= 1,24 (без отбора)<br />
в условиях как на рис. 9-2; 2 -<br />
кривая, полученная при C= 1,06<br />
(без отбора) в условиях:<br />
р т = 0,99 МПа; 3 - прямая, полученная<br />
в безимпульсном режиме<br />
хроматографии при С = 1,24<br />
(а = 9,1%) при р т = 0,57 МПа<br />
На рис. 133 представлены<br />
зависимости v m , An m и R n , от т,<br />
полученные при Ь 0 = 1,01, а 0ПТ =<br />
= 12%. Экспериментальные точки<br />
оказались близки к теоретическим<br />
кривым 1 и 3 для v m и R n ,,<br />
20 т<br />
построенным по уравнениям<br />
(9-4) и (9-7), и к теоретической прямой 2 для An n ,, построенной по<br />
уравнению (9-5). Снижение значения а опт является весьма существенным<br />
в препаративной хроматографии. Согласно соотношению<br />
(9-13), при C= 1,06 значение а опт снизилось бы до 3%.<br />
Ha препаративных колонках [97] размером 3 м х 10 мм с 20%<br />
Апиезона L при р вх = 0,63 МПа и С = 1,068 (ос опт = 2,81+0,15%) получили<br />
линейную зависимость между числом теоретических тарелок<br />
п (по гексану) и числом пройденных хроматографической<br />
зоной колонок m. B этих условиях препаративную циркуляционную<br />
установку можно рассматривать, как систему из т последовательно<br />
соединенных колонок с одинаковыми параметрами.<br />
Потери ф вещества в процессе циркуляции с отбором части<br />
газового потока между колонками составляют [90]:<br />
ф(%) = 1-1<br />
OL<br />
100<br />
т-\<br />
•100. (9-30)<br />
Эти потери могут быть почти полностью устранены либо за<br />
счет сбора и повторного разделения удаляемого материала, либо<br />
за счет использования в качестве газа-носителя водорода<br />
или смеси азота с водородом в сочетании с палладиевым сепаратором<br />
[98, 99]. Вариант сокращения хроматографической зоны,<br />
осуществляемый с помощью пневматических импульсов,<br />
которые возникают при переключении циркуляционного кра-<br />
395
на, в известной мере можно заменить применением термических<br />
импульсов [100, 101].<br />
На основе развитых выше представлений об эффектах импульсного<br />
сокращения и расширения хроматографических зон,<br />
подтвержденных экспериментально, становится возможным оценить<br />
место и значение метода циркуляционной газовой хроматографии<br />
среди иных, близких по эффективности, вариантов хроматографического<br />
метода.<br />
СОПОСТАВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ<br />
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ<br />
В НАПОЛНЕННЫХ КОЛОНКАХ ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ СХЕМЫ<br />
И В ОБЫЧНЫХ КОЛОНКАХ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ДЛИНЫ<br />
При сопоставлении параметров тонкого разделения (коэффициент<br />
разделения а- 1 ^ 1) в циркуляционной хроматографии<br />
и в наполненных колонках большой длины [102-106] было показано<br />
[107-109], что при одинаковой степени разделения время<br />
разделения бинарной смеси в первом случае оказывается примерно<br />
в два-три раза меньше. Это преимущество циркуляционной<br />
хроматографии возрастает при приближении а к единице. По<br />
сравнению с наполненными колонками большой длины циркуляционная<br />
хроматография при этом требует в 3,5-4 раза меньшего<br />
давления на входе в колонку, длина которой может уменьшиться<br />
в 25-30 раз. В табл. 4 [109] сопоставлены некоторые параметры<br />
процессов тонкого разделения в насадочных колонках большой<br />
длины, колонках циркуляционной установки и на капиллярной<br />
колонке с толстым слоем сорбента на стенках [110, 111]. Из приведенных<br />
данных следует, что в двух последних системах скорости<br />
разделения близки между собой. Это является следствием относительно<br />
высокой проницаемости гипотетической колонки,<br />
эквивалентной по разделительной способности и времени анализа<br />
колонкам циркуляционной системы. Наблюдающееся в циркуляционной<br />
хроматографии некоторое увеличение ВЭТТ в области<br />
высоких скоростей выражено значительно слабее по сравнению<br />
с колонками большой длины. За счет этих факторов удается<br />
достигать весьма высоких значений эффективности разделения<br />
в капиллярной циркуляционной хроматографии на колонках<br />
длиной по 7,5 м [35, 36].<br />
Таким образом, рассматриваемый метод имеет весьма существенные<br />
преимущества по сравнению с процессом разделения в<br />
колонках большой длины - с точки зрения суммарной эффективности,<br />
времени разделения, величины требуемого давления, количества<br />
применяемого сорбента и необходимой длины колонок.<br />
396<br />
Таблица 4<br />
Сопоставление параметров тонкого разделения бензола и<br />
гексадейтеробензола при к'= 2 в насадочной колонке большой длины (н),<br />
колонках циркуляционной установки (нц) и капиллярной колонке с толстым<br />
слоем сорбента на стенках (к)<br />
Параметр<br />
Коэффициент диффузии<br />
в газовой фазе при атмосферном<br />
давлении,<br />
10D „ 0 , см 2 /сек<br />
Вязкость газа, 10 10 ,<br />
кг сек/см 2<br />
Диаметр частиц носителя,<br />
dp, см<br />
Коэффициент диффузии<br />
в газовой фазе, 10 Dg,<br />
см 2 /сек<br />
Коэффициент проницаемости,<br />
10 7 K 0 , см 2<br />
Высота, эквивалентная<br />
теоретической тарелке,<br />
ВЭТТ, см<br />
Длина колонки, /, см<br />
Средняя линейная скорость<br />
газа-носителя, и,<br />
см/сек см/с<br />
Число теоретических тарелок,<br />
п<br />
Число полуциклов, т<br />
Время разделения, t R , ч<br />
Длительность полуцикла,<br />
At мин<br />
Входное давление, р вх ,<br />
МПа<br />
Фактор Гийошона,./ н<br />
ВЭТТ/й, сек" 1<br />
Азот<br />
Гелий<br />
1,06 1,06 1,06 4,14 4,14<br />
2,19<br />
0,02<br />
1,40<br />
3,95<br />
0,118<br />
10620<br />
1,40<br />
90000<br />
6,33<br />
1,12<br />
0,81<br />
0,084<br />
2.62<br />
2,19<br />
0,02<br />
2,60<br />
14,04<br />
0,118<br />
425<br />
2,60<br />
3600<br />
25<br />
3,41<br />
8,19<br />
0,47<br />
1,00<br />
0,045<br />
1,41<br />
90000 90000<br />
2,42<br />
0,70<br />
3,28<br />
2,34<br />
3600<br />
25<br />
1,72<br />
Примечание: коэффициент разделения компонентов смеси равен 1,02, температура<br />
разделения 338К, диаметр капиллярной колонки 0,025 см, доля сечения,<br />
занятая газом, в капиллярной колонке v = 0,4, достигнутая степень разделения R = 1.<br />
397<br />
2,19<br />
0,02<br />
2,10<br />
16,20<br />
0,118<br />
10620<br />
3,55<br />
0,84<br />
0,032<br />
1,00<br />
2,40<br />
0,02<br />
2,70<br />
3,95<br />
0,118<br />
10620<br />
2,70<br />
0,78<br />
0.043<br />
2,62<br />
2,40<br />
0,02<br />
5,13<br />
14,58<br />
0,118<br />
425<br />
5,13<br />
4,13<br />
0,97<br />
1,00<br />
0,023<br />
1.38<br />
4,14<br />
2,40<br />
0,02<br />
4,20<br />
16,20<br />
0,118<br />
10620<br />
7,08<br />
90000<br />
1,25<br />
1,49<br />
0,80<br />
0,016<br />
1,00
9.4. ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОЛОНОК<br />
В ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ<br />
Выражение для ВЭТТ препаративной газохроматографической<br />
колонки записывают в следующей форме [112]:<br />
2yD * V di<br />
HETP = A + -—^ + -<br />
rc z -и +<br />
U + * D n<br />
2к C nJ _<br />
•и + - -и,<br />
3(1+ к) 1 (9-31)<br />
D 1 4D 0<br />
где А- постоянная в уравнении Ван-Деемтера, у - коэффициент<br />
извилистости, d, - толщина пленки жидкости, D 1 , D g - коэффициенты<br />
диффузии в жидкой и газовой фазах соответственно, C 0 -<br />
постоянная величина, d - диаметр колонки, к - отношение<br />
распределения.<br />
Для препаративных колонок, содержащих 1-5% жидкой фазы<br />
и менее, по аналогии с аналитическими колонками можно записать<br />
[113]:<br />
2у • D n<br />
HETP = -—L +<br />
+<<br />
C n<br />
( . Y<br />
K d pj<br />
+ - C n<br />
/ .л 2<br />
Л У *+ C ( , Л n<br />
\ d PJ<br />
+ 0,81 (kf<br />
(I + *) 2 +п.<br />
D n<br />
(9-32)<br />
При тщательном заполнении препаративные колонки относительно<br />
небольшого диаметра по эффективности сопоставимы<br />
с аналитическими. Полагая<br />
C n<br />
( , Л<br />
= 0,9, (9-33)<br />
V d P J<br />
на основе (9-15) можно получить:<br />
HETP-<br />
2j-D 0 0,99+ 1,8*+ 1,71(*) 2 d\ _<br />
• +<br />
(X +к) 2 D n<br />
(9-34)<br />
398<br />
Полученное уравнение близко по форме к уравнению для<br />
аналитических колонок [109]. В работе [114] показано, что<br />
(йо) =0.3 сс-1 K\D gfi) p -(P 0 ) P (*) 2<br />
л !0,9 + 1,8* + 1,71(*Г<br />
(9-35)<br />
где индекс "н" относится к наполненной колонке. Подставляя выражение<br />
(9-16) в уравнение [115]<br />
'J(OC-I)" к<br />
W = 510~ г- См ,<br />
(9-36)<br />
g<br />
R 1 + jfc<br />
где W- производительность препаративной хроматографическои<br />
установки; C n - равновесная концентрация первого и второго<br />
компонентов в газовой фазе; R - достигаемое разделение; и % -<br />
часть сечения колонки, занятая газом-носителем, можно найти<br />
где<br />
W^, «1,5-10"<br />
-|2<br />
J(OC-I)<br />
^XcX iD ' MP ° )p [fW] P ,(9-37)<br />
R<br />
d a I Л<br />
[f(K')] P =<br />
(кУ<br />
(X+ кУ [0,9 + 1,8* + 1,71(*)"]<br />
Для циркуляционной системы (индекс PC) можно получить:<br />
W PC =1,5-10~<br />
J(OC-I)'<br />
R<br />
х„ К PE(D 11MPO) р<br />
Л<br />
сс-1 ZQx<br />
[/(*)], (9-38)<br />
где Кр Е - коэффициент проницаемости гипотетической колонки,<br />
эквивалентной используемой в циркуляционной системе.<br />
С учетом потерь вещества в процессе циркуляции (II) отношение<br />
производительностей циркуляционной системы и насадочной<br />
колонки большой длины равно<br />
1 1 \Срг-\ 1 Г+Т<br />
W PC 1<br />
_<br />
W n<br />
(V(Oc)"-')' 2,12 ^ С„ г +1/'(0C-I) *<br />
(9-39)<br />
где Jp - фактор Гийошона [116].<br />
Приведенные рассуждения показывают, что при одинаковой<br />
общей эффективности и сходных параметрах применяемых колонок<br />
в случае разделения очень близких по свойствам веществ<br />
399
(a = 1,02) производительность колонок большой длины оказывается<br />
в 2-2,5 раза больше, чем производительность циркуляционной<br />
системы [117-119]. Однако производительность, отнесенная<br />
к единице объема сорбента [47, 120], при циркуляционном разделении<br />
примерно в пять раз выше. Последнее обстоятельство имеет<br />
большое значение, так как уменьшение объема сорбента, помимо<br />
его экономии, связано с сокращением объема аппаратуры,<br />
затрат труда и времени на приготовление колонок.<br />
Эффективность и разделительная способность колонок длиной<br />
2-4 м и диаметром 10 мм в препаративном разделении смесей<br />
с 1,02 < a < 1,07 методом циркуляционной газовой хроматографии<br />
изучалась в работе [121]. Было показано, что в условиях, когда<br />
отбор газа между колонками был ничтожно мал (около 0,1 %<br />
от основного потока), повышение давления на выходе колонок<br />
приводит к возрастанию общей эффективности пик увеличению<br />
числа возможных полуциклов т. Одновременно растут затраты<br />
времени на циркуляцию, поэтому производительность системы<br />
при постоянном объеме вводимой пробы M 0 = const снижается.<br />
Увеличение M 0 приводит к уменьшению числа полуциклов и числа<br />
теоретических тарелок.<br />
В режиме безимпульсной циркуляционной хроматографии<br />
отбор газа приводит к дополнительному снижению производительности.<br />
При этом, однако, достигается значительное увеличение<br />
общей эффективности разделения и рост возможного числа<br />
циклов. При больших объемах вводимой пробы и С нц =1,1 эффект<br />
импульсного расширения зоны имеет второстепенное значение,<br />
а решающий вклад в понижение общей эффективности<br />
вносит влияние объема вводимой пробы.<br />
Полученные данные показывают целесообразность использования<br />
метода безимпульсной циркуляционной хроматографии<br />
для разделения очень близких по свойствам соединений.<br />
Проигрыша в производительности циркуляционной установки<br />
по сравнению с колонками большой длины можно избежать<br />
за счет периодического ввода исходной смеси и отбора разделенных<br />
компонентов в циркуляционных системах полунепрерывного<br />
действия. Такой способ был использован в работах [4, 122-<br />
124] при разделении щелочных металлов и некоторых изотопов<br />
с помощью ионообменной хроматографии.<br />
Применительно к газовой хроматографии был предложен<br />
[51] способ полунепрерывного разделения смесей, в котором в<br />
,процессе циркуляции пробы при переходе ее из одной колонки в<br />
другую каждый раз осуществляется ввод свежей порции разделяемой<br />
смеси в сечение питания, расположенное между максимумами<br />
пиков разделяемых компонентов. Далее, начиная с того мо-<br />
400<br />
мента, когда суммарная ширина зоны становится равной длине<br />
хроматографической колонки, отсекают концы хроматографической<br />
полосы, осуществляя сбор чистых компонентов. При<br />
этом суммарная кривая распределения потоков компонентов при<br />
осуществлении периодической подпитки имеет выраженный максимум,<br />
положение которого совпадает с сечением питания<br />
(вследствие наложения большого числа гауссовых кривых).<br />
Циркуляционная хроматография с отсечением обогащенных<br />
концов хроматографической полосы характеризуется высокой<br />
степенью чистоты получаемых продуктов. Согласно [125], для<br />
обычного способа отбора разделенных зон хроматографируемых<br />
соединений эта величина определяется из уравнения:<br />
X p = l-l/2(2nR)- U2 e' 2R2 . (9-40)<br />
Значению R = 1 из уравнения (9-41) отвечает величина A^lOO =<br />
= 97,3%. Эта же величина для случая циркуляционной хроматографии<br />
с отсечением обогащенных концов хроматографической<br />
полосы определяется выражением [97, 126]:<br />
X' p =e SR(R+l) /(l + e mR+l} ). (9-41)<br />
При/'= 1 получается значение ^ 100 =99,99998%.<br />
При равенстве Х р = Х' р = 99,97% достигаются значения R ~<br />
~ 2,8 и R' ~ 0,65 при использовании в циркуляционной схеме колонки<br />
примерно в 10 раз меньшей длины [97].<br />
Таким образом, краткое теоретическое рассмотрение применения<br />
циркуляционного метода с периодической подпиткой и отсечением<br />
концов хроматографической полосы, помимо повышения<br />
производительности, показывает потенциальную возможность<br />
применения такого варианта циркуляционной хроматографии для<br />
получения веществ высокой степени чистоты (более 99,97%).<br />
9.5. РАЗДЕЛЕНИЕ<br />
ИЗОТОПНО-ЗАМЕЩЕННЫХ СОЕДИНЕНИЙ<br />
В газовой хроматографии разделение изотопно-замещенных<br />
соединений является одной из наиболее сложных задач, требующих<br />
для своего осуществления применения высокоэффективных<br />
колонок. К сожалению, увеличение коэффициента разделения за<br />
счет использования селективных неподвижных фаз оказывается<br />
в этом случае почти невозможным вследствие крайне малых изо-<br />
14. Руденко Б.A. T. 1 401
402<br />
Таблица 5<br />
Показатели процесса препаративного газохроматографического разделения<br />
некоторых изотопно-замещенных органических соединений методом<br />
циркуляционной газовой хроматографии<br />
Разделяемая<br />
смесь<br />
CH 3 COCH 3 -<br />
CD 3 COCD 3<br />
С бН|2 _С 6°12<br />
C 6 H 5 CH 3 -<br />
C 6 D 5 CD 3<br />
C 6 H 6 -C 6 D 6<br />
C 6 H 5 C 2 H 5 -<br />
C 6 D 5 C 2 H 5<br />
топных эффектов в процессе растворения [127-129]. Иначе говоря,<br />
изменение природы адсорбента или жидкой фазы и связанное<br />
с этим изменение адсорбционной или растворяющей способности<br />
не может обеспечить успеха при разделении соединений, содержащих<br />
разные изотопы одного и того же элемента [130]. Поэтому<br />
при поиске путей решения этой проблемы на первый план выдвигаются<br />
требования повышения эффективности осуществляемых<br />
хроматографических разделений.<br />
Как показано в предшествующих главах, в газо-жидкостной и<br />
газо-адсорбционной капиллярной хроматографии повысить эффективность<br />
колонок удается либо путем различного рода модификаций<br />
внутренней поверхности стенок капилляров, либо за<br />
счет нанесения на его стенки сорбционных слоев из различных<br />
материалов [130].<br />
Не прибегая к использованию капиллярных колонок и наполненных<br />
колонок малого диаметра и большой длины, изотопнозамещенные<br />
соединения удается разделять на коротких наполненных<br />
колонках, включенных в циркуляционную схему. На ранних<br />
этапах развития циркуляционной хроматографии применялись<br />
колонки довольно большой длины. Это позволяло замедлить<br />
размывание хроматографической полосы на всю длину колонки<br />
при переключении циркуляционного крана. Первые изотопные<br />
разделения [82] метана, н-бутана, циклобутана и их дейтерированных<br />
и тритиевых аналогов были выполнены на колонках<br />
длиной 15 м при атмосферном давлении на выходе.<br />
На колонках длиной 8 м, содержащих раствор нитрата серебра<br />
в этиленгликоле в качестве неподвижной фазы, было проведено<br />
[83, 84] газо-хроматографическое разделение изотопно-замещенных<br />
этиленов C 2 H 4 , C 2 H 3 D и C 2 H 2 D 2 . Авторы отмечают ускорение<br />
анализа при использовании циркуляционной техники по<br />
сравнению с одной колонкой большой длины, что особенно важно<br />
в газовой хроматографии изотопных молекул, содержащих<br />
радиоактивные изотопы с коротким периодом полураспада.<br />
В работе [85] была сделана попытка разделения изотопов углерода<br />
( 12 C и 13 C) и серы (32S и 34S) в виде их летучих фторидов. Разделение<br />
проводили на циркуляционной схеме Максвелла [44] с использованием<br />
двух колонок длиной 8 м с Порапаком Q. Было достигнуто<br />
заметное обогащение выделенных фракций отдельными<br />
изотопами. Анализ соединений, меченных радиоактивными изотопами<br />
( 14 C, 35 S), несколько позже провели авторы работы [131] на<br />
автоматическом циркуляционном газовом радиохроматографе.<br />
Разделение изотопов углерода ' 2 C и 13 C в форме оксида на молекулярных<br />
ситах, а также изотопов неона 20 Ne и 22 Ne было проведено<br />
в работе [132]; при этом также было достигнуто значи-<br />
Неподвижная<br />
фаза<br />
LAC-3R-728<br />
LAC-3R-728<br />
DC-550<br />
DC-550<br />
DC-550<br />
V, мл<br />
0,90<br />
0,85<br />
0,50<br />
0,55<br />
0,50<br />
W, %<br />
39,9<br />
50,4<br />
44,0<br />
40,3<br />
28,7<br />
L, м<br />
108<br />
84<br />
84<br />
92<br />
128<br />
а л- !О" 3<br />
1,012 35,5<br />
1,014 44,5<br />
1,013 44,0<br />
1,011 48,0<br />
1,006 74,5<br />
ВЭТТмм<br />
3,0<br />
1,9<br />
1,9<br />
1,9<br />
1,7<br />
R<br />
0,56<br />
0,74<br />
0,68<br />
0,60<br />
0,41<br />
Обозначения: V- величина введенной пробы; w- выход разделенных продуктов;<br />
L - полная длина колонок, пройденная хроматографической зоной.<br />
тельное обогащение изотопов. На двух колонках длиной по 0,5 м<br />
с молекулярными ситами проведено [77] разделение орто- и пара-изомеров<br />
H 2 и D 2 . Коэффициенты разделения составили 1,032<br />
для орто- и пара-водорода, 1,024 для дейтерида протия и дейтерия<br />
и 1,019 для орто- и пдра-дейтерия.<br />
Выявление влияния эффектов импульсного расширения и сокращения<br />
хроматографических зон и связанное с этим повышение<br />
эффективности процесса позволило выполнить разделение<br />
бензола и гексадейтеробензола, а также бензола и тридейтеробензола<br />
[133] на колонках размером 4 м х 23 мм и 4 м х 4 мм со<br />
скваланом в качестве стационарной фазы.<br />
В последнем случае разделяемые соединения проходили общую<br />
длину колонки, эквивалентную 100 м, при эффективности<br />
разделения примерно 120 тыс. т.т. Столь высокая общая эффективность<br />
разделения стала возможной благодаря поддержанию<br />
режима безимпульсной циркуляционной хроматографии, характеризующегося<br />
линейной зависимостью числа теоретических тарелок<br />
от числа пройденных колонок. В работах [69, 134] описано<br />
аналитическое разделение кислородсодержащих изотопно-замещенных<br />
органических соединений: C 2 H 5 OH-C 2 D 5 OD, CH 3 COCH 3 -<br />
CD 3 COCD 3 , шо-С 3 Н 7 ОН - «3o-C 3 D 7 OD в режиме безимпульсной<br />
циркуляционной хроматографии.<br />
Возможности препаративной циркуляционной газовой хроматографии<br />
при разделении изотопно-замещенных органических<br />
соединений исследовались в лаборатории автора настоящей книги<br />
в работах [135-137]. Основные показатели процесса препаративного<br />
газохроматографического разделения изученных смесей<br />
14* 403
МАмш<br />
=17 Л m=n /<br />
m /I<br />
Время, ч 20 17 14 11 8 5 2<br />
Рис. 134. Фрагменты хроматограммы препаративного циркуляционного<br />
разделения смеси октадейтеротолуола (7) и толуола (2) на колонках<br />
размером 4 м х 23 мм, заполненных сорбентом с полисилоксаном DC-<br />
550 (15%). Условия: температура колонок 105 0 C, р т = 0,64 МПа,<br />
С = 1,04, расход газа-носителя (азота) 400 мл/мин, доля отбираемого газа<br />
2%, исходная загрузка 0,5 мл; выход разделенных продуктов 44%<br />
методом циркуляционной газовой хроматографии суммированы<br />
в табл. 5 [138]. Как следует из этих данных, эффективность препаративного<br />
разделения достигала нескольких десятков тысяч т. т.,<br />
что в 10-20 раз выше эффективности наполненных колонок<br />
большой длины (например, размером 20 м х 9 мм как в [113,<br />
с. 233] и сопоставимо с возможностями капиллярной хроматографии.<br />
Чистота выделенных фракций, согласно данным масс-спектрометрического<br />
анализа была не ниже 95-97%. На рис. 134<br />
представлены фрагменты хроматограммы препаративного разделения<br />
толуола и пердейтеротолуола.<br />
Как уже отмечалось выше, производительность циркуляционных<br />
газохроматографических систем при их использовании<br />
для разделения близких по свойствам соединений, требующих<br />
высокой эффективности процесса, во многом зависит от<br />
величины отбора элюата, выполняемого для поддержания безимпульсного<br />
режима хроматографии. При проведении препаративных<br />
разделений, перечисленных в табл. 5, эта величина<br />
составляла 2,0-2,4% от общего объема газа-носителя при соотношении<br />
входного и выходного давлений C=I ,04—1,05 и при<br />
давлении на входе в колонку, не превышавшем 0,64 МПа. Снижение<br />
величины С путем повышения входного и выходного<br />
давлений (при сохранении заданного перепада давлений) может<br />
позволить уменьшить количество отбираемого между колонками<br />
газа и тем самым увеличить производительность циркуляционной<br />
установки. Так, увеличение давления на входе в<br />
систему, например, до 1,33 МПа (при сохранении прежнего<br />
расхода газа-носителя на выходе из системы) приведет к сни-<br />
404<br />
жению значения С до 1,023. Это, в свою очередь, позволит<br />
уменьшить отбор газа между колонками и сократить потери<br />
при разделении указанных выше смесей на 13-17%.<br />
9.6. РАЗДЕЛЕНИЕ БЛИЗКИХ ПО СТРОЕНИЮ<br />
И СВОЙСТВАМ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ<br />
Область, в которой метод циркуляционной хроматографии<br />
оказывается незаменимым - это высокоэффективное препаративное<br />
разделение изомеров летучих органических соединений.<br />
В ряде случаев близость свойств таких изомеров оказывается<br />
еще большей, чем в случае изотопных молекул. Трудности разделения<br />
изомеров усугубляются также тем, что часто вновь синтезируемые<br />
органические соединения имеются лишь в очень, малых<br />
количествах, измеряющихся долями грамма или миллиграммами.<br />
Если задача определения изомерного состава вновь синтезируемых<br />
органических веществ в настоящее время решается с помощью<br />
высокоэффективной капиллярной хроматографии, то<br />
проблема препаративного разделения близких по свойствам изомеров<br />
остается одной из наиболее трудных и до конца нерешенных<br />
в органической химии. Вместе с тем присущая циркуляционной<br />
хроматографии высокая эффективность разделения позволяет<br />
решать задачи как аналитического, так и препаративного<br />
разделения изомерных структур для решения обширного ряда<br />
проблем, выдвигаемых современной органической химией.<br />
Так, для изучения состава продуктов внутримолекулярного<br />
ацилирования со-(5-метилтиенил-2)-алкановых кислот с различной<br />
длиной боковой цепи выполнен [139] хроматографический<br />
анализ изомерных макроциклических кетонов с тиофеновым<br />
ядром. Разделение изомерных циклотиенонов проводили на колонках<br />
размером 3 м х 4 мм с сорбентом, содержащим 3% SE-30,<br />
при температуре 235°С, скорости газа-носителя 55 мл/мин, р вх =<br />
= 0,89 МПа, С = 1,25. После 12 полуциклов за время 2 ч было достигнуто<br />
значение R = 1,04 при а = 1,023. Эффективность разделения<br />
составляла около 64 тыс. т.т.<br />
Хорошие результаты были получены при разделении геометрических<br />
изомеров высококипящих непредельных жирных кислот<br />
на колонках с 5% Апиезона L [94]. При 22O 0 C после 11 полуциклов<br />
при р ш = 0,70 и /7 ВЫХ = 0,62 МПа были разделены метилолеат<br />
и метилэлаидат. В сходных условиях проведено разделение<br />
изомерных метиллинолеатов. Общая эффективность разделения<br />
достигала в этих опытах 83 тыс. т.т.<br />
405
406<br />
-¾^а<br />
|<br />
AyC^<br />
На колонках длиной по 3,5 м и диаметром 10 мм, заполненных<br />
твердым носителем Хезасорб с 5% полисилоксана ХЕ-60, было<br />
проведено разделение цис- и транс-изомеров 1 -этил-4-изопропилциклогексана,<br />
2-трет.-бутилтетрагидрофурана, З-трет.-бутилциклопентанола<br />
[70]. При величине проб 20 мг за 8-9 полуциклов<br />
достигалась эффективность разделения от 3 до 8 тыс. т.т. В той же<br />
работе выполнено аналитическое разделение смеси метиловых<br />
эфиров 1,3-диметилциклогексен-З-карбоновой и 1,4-диметилциклогексен-3-карбоновой<br />
кислот (изомерных продуктов диенового<br />
синтеза) с а = 1,044. После 8 полуциклов за 1,5 ч была достигнута<br />
эффективность 23,5 тыс. т.т. при степени разделения R = 1,04.<br />
Используя циркуляционный газовый хроматограф, на колонке<br />
с Хромосорбом W, содержащим 30% динонилфталата, автор<br />
работы [140] разделял смесь окиси пропилена и пропионового<br />
альдегида. В той же работе за три полуцикла на двух колонках<br />
длиной 45 см каждая, заполненных сорбентом, содержащим 7,5%<br />
бентона-34 и 14,25% силиконового масла MS-555, были разделены<br />
мета- и пара-ксилолы. В работе [115] описано микропрепаративное<br />
разделение изомерных тетраметилбензолов - дурола и<br />
изодурола с эффективностью разделения 26 тыс. т.т.<br />
Следует заметить, что одним из достоинств метода циркуляционной<br />
хроматографии является его универсальность. Благодаря<br />
высоким значениям эффективности, достигаемым при многократном<br />
повторении цикла разделения, удается добиваться хороших<br />
результатов без употребления особо селективных неподвижных<br />
жидких фаз. Так, смеси изомерных ароматических углеводородов:<br />
мета- и пара-ксилолов, пара-ксилола и этилбензола<br />
[137], изомерных тетраметилбензолов [115] были с одинаковым<br />
успехом разделены препаративно на неподвижных фазах, не обладавших<br />
особой селективностью (LAC-3R-728, DC-550, ПЭГ-<br />
6000, соответственно).<br />
Метод циркуляционной хроматографии нашел также применение<br />
при изучении кинетики химических реакций в реакционной<br />
газовой хроматографии. Так, при изучении кинетики реакции<br />
Дильса-Альдера между изопреном и малеиновым ангидридом<br />
последний наносили на хромосорб P в качестве стационарной<br />
фазы в форме раствора в трикрезилфосфате. Изменение<br />
концентрации летучего компонента - изопрена - наблюдали по<br />
уменьшению площадей пиков, фиксировавшихся в процессе циркуляции<br />
[ 141].<br />
Для изучения продуктов реакции гомолитического замещения<br />
хлорбензола ацетонильными радикалами, генерированными<br />
в окислительно-восстановительной системе ацетон -<br />
Mn(OAc) 3 -AcOH при 70 0 C [142] было проведено [138] препара-<br />
^YT<br />
7U^\12<br />
к<br />
I<br />
1<br />
0<br />
Г<br />
Рис. 135. Схемы установок для препаративной циркуляционной газовой<br />
хроматографии<br />
а - принципиальная схема: / - циркуляционный кран; 2 - дроссель; 3,4- обратные<br />
клапаны; 5,6- колонки; 7 - детектор; 10, II- регулировочные вентили;<br />
12 - сменные ловушки; б - цельностеклянная установка: / - обратные<br />
клапаны; 2 - ловушки разделенных фракций; 3 - циркуляционный кран.<br />
тивное разделение образующейся смеси изомеров с помощью<br />
высокоэффективной циркуляционной газовой хроматографии.<br />
C 6 H 5 Cl + CH 3 COCH 3<br />
Mn(OAc) 3<br />
CH 3 COCH 2 -C 6 H 4 Cl<br />
Это разделение проводили на цельностеклянной установке с<br />
краном-переключателем газового потока, расположенным за<br />
пределами термостата (рис. 135) [75]. Фрагменты полученной<br />
хроматограммы представлены на рис. 136. После проведения<br />
7 полуциклов, что соответствует полной длине пути зон по колонке<br />
28 м, было достигнуто практически полное разделение<br />
всех трех изомеров при эффективности разделения для пара-изомера<br />
12,5 тыс.т.т. Коэффициенты разделения изомеров по данным<br />
аналитической хроматограммы составляли 1,046 для метаи<br />
napa-хлорбензилметилкетонов и 1,051 - для орто- и мета-сгруктур.<br />
В работе [143] описана серия препаративных разделений стереоизомерных<br />
производных 1,3-диоксолана. Эти пятичленные циклические<br />
ацетали вызывают интерес исследователей как модельные<br />
системы для изучения стереохимии некоторых природных физиологически<br />
активных веществ. Диастереоизомеры 2,4,5-триизопропил-,<br />
2-фенил-4,5-диизопропил- и 2-фенил-2-метил-4,5-диизо-<br />
407
т = 1<br />
CH 2 -COCH 3<br />
I<br />
CH 2 -COCH 3<br />
Время, ч 7,5<br />
Время, ч<br />
Рис. 136. Фрагменты хроматограммы препаративного циркуляционного<br />
газо-хроматографического разделения смеси пара- (7), мета- (2) и орmo-хлорбензилметилкетонов<br />
(J) на колонках размером 4 м х 20 мм, заполненных<br />
сорбентом с полиэфиром LAC-3R-728 (12%). Условия: температура<br />
колонок 220 0 C, р т - 0,58, р кых = 0,54 МПа, расход газа-носителя<br />
(азота) 380 мл/мин, отбор газа между колонками 3,0%, исходная загрузка<br />
0,5 мл; выход разделенных продуктов 83%<br />
пропил- 1,3-диоксолана, синтезированные кислотно-катализируемой<br />
конденсаций мезо- и £)/_-2,5-диметил-гександиолов-3,4 с соответствующими<br />
карбонильными соединениями, как показали результаты<br />
расчетов их термодинамических параметров растворения<br />
[143], характеризуются весьма близкими свойствами. Близость<br />
свойств схожих ди- и триалкил(арил)-замещенных производных<br />
1,3-диоксолана отмечалась в работах [144-147]. Это вынуждало<br />
исследователей использовать препаративные колонки длиной 20 и<br />
7,5 м. Пример препаративных циркуляционных разделений 2-замещенных<br />
4,5-диизопропил-1,3-диоксоланов представлен на рис. 137.<br />
Это разделение проводили на циркуляционной установке с клапанной<br />
переключающей системой, описанной в работе [137]. Коэффициент<br />
разделения син- и янты-изомеров 2-фенил-4,5-диизопропил-1,3-диоксолана<br />
составлял по данным аналитической хроматограммы<br />
1,048. Эффективность препаративного разделения к седьмому<br />
полуциклу достигла 14,5 тыс. т.т. (по смн-изомеру). В случае<br />
408<br />
14 Время, ч<br />
Рис. 137. Хроматограммы препаративного разделения смесей стереоизомеров<br />
а - фрагменты хроматограммы препаративного циркуляционного разделения<br />
смеси цис-анти- (I), цис-син- (2) и транс-2-фенил-4,5-диизопропил-<br />
1,3-диоксоланов (J); величина вводимой пробы 0,6 мл; выход разделенных продуктов<br />
79,5%;<br />
б - фрагменты хроматограммы препаративного циркуляционного разделения<br />
смеси стереоизомеров 2-метил-2-фенил-4,5-изопропил-1,3-диоксолана;<br />
объем пробы 0,55 мл; выход разделенных продуктов 68%. Условия: 2 колонки размером<br />
4 м х 23 мм, заполненные Хроматоном Nc 15% жидкого полисилоксана DC-<br />
550 (15%); температура колонок 210°С,р вх = 0,64; р вых = 0,59 МПа, С = 1,26, расход<br />
газа-носителя (азота) 480 мл/мин, отбор газа между колонками 3,3%<br />
разделения син- и днти-изомеров 2,4,5-триизопропил-1,3-диоксолана,<br />
для которых различия в свободных энергиях растворения в<br />
диапазоне температур 110-140 0 C не превышают 38-55 Дж/моль<br />
(т.е. а = 1,011-1,019), потребовалась уже эффективность свыше<br />
50 тыс. т.т.<br />
409
410<br />
I г 4<br />
В описанных выше экспериментах количество одновременно<br />
разделяемых продуктов составляло 0,5-1,0 г, что соответствует<br />
масштабу лабораторных исследований, обычно выполняемых в<br />
синтетической органической химии в настоящее время.<br />
Однако метод циркуляционной газовой хроматографии может<br />
найти достаточно широкое применение и при выполнении<br />
специальных препаративных работ, связанных с накоплением<br />
больших количеств индивидуальных изомеров для углубленного<br />
изучения их физико-химических свойств, использования в дальнейших<br />
синтетических исследованиях или для проведения биологических<br />
испытаний.<br />
С применением полунепрерывного варианта высокоэффективной<br />
циркуляционной газовой хроматографии было выполнено<br />
[138] разделение смеси цис-, и транс-изомеров 2,5-диметил-<br />
1,3-оксатиана. Препаративная установка работала при входном<br />
давлении 0,59 и выходном 0,56 МПа, отборе части газа-носителя<br />
в количестве 2%, температуре колонок 14O 0 C, скорости газа (азота)<br />
300 мл/мин и величине исходной пробы 0,65 мл. Неподвижной<br />
фазой служил полиэтиленгликоль карбовакс-20М (10%); использовали<br />
колонки размером 4 м х 23 мм. Начиная с восьмого полуцикла,<br />
когда полоса хроматографируемых соединений размывалась<br />
на всю длину колонки, процесс циркуляции продолжали в<br />
режиме безимпульсной хроматографии. Ввод свежих порций разделяемой<br />
смеси и отсечение обогащенных концов хроматографической<br />
полосы осуществляли на каждом полуцикле в количестве<br />
по 50 мкл. К 17 полуциклу было проведено 10 подпиток и собрано<br />
примерно 0,5 мл разделенных продуктов, что соответствует<br />
43% общей загрузки. Анализ собранных фракций методом капиллярной<br />
хроматографии (колонка длиной 40 м, эффективность<br />
70 тыс. т.т. по бензолу) показал наличие практически чистых<br />
соединений, содержащих не менее 99,6% индивидуальных<br />
компонентов.<br />
Высокоэффективный метод препаративной циркуляционной<br />
газовой хроматографии нашел применение и при изучении состава<br />
некоторых продуктов переработки каменных углей. Актуальность<br />
задачи полного и рационального использования продуктов<br />
переработки углей определяет необходимость разработки доступных<br />
методов выделения и анализа соединений каменноугольного<br />
происхождения. Изучение состава очищенного от фенола<br />
легкого масла с температурой кипения до 25O 0 C, являющегося<br />
фракцией смолы среднетемпературного коксования угля Черемховского<br />
месторождения (Иркутский угольный бассейн) проведено<br />
в работе [138]. Результаты, полученные в ходе этого исследования,<br />
свидетельствуют о перспективности использования пре-<br />
rtж)<br />
ш U II<br />
-* 1 « 1 « 1 и 1 и 1—и—|<br />
Время, ч 7,0 5,5 4,0 2,5 1,0<br />
Рис. 138. Фрагменты хроматограммы препаративного циркуляционно-хроматографического<br />
разделения высококипящей фракции дистиллята<br />
очищенного от фенола легкого масла смолы полукоксования<br />
черемховского угля на колонках размером 4 м х 23 мм, заполненных<br />
сорбентом с полифенилсилоксаном DC-550 (15%). Условия: температура<br />
колонок 235°С, р ш = 0,64, р вых = 0,58 МПа, расход газа-носителя<br />
(азота) 450 мл/мин, отбор газа между колонками 3,7%, исходная загрузка<br />
0,5 мл<br />
/ - бензотиофен; 2 - метилбензотиофен; 3 - (3-метилнафталин; 4 - а-метилнафталин;<br />
5 - дифенил; эффективность разделения после пятого полуцикла<br />
12,5 тыс. т. т. (по (3-метилнафталину); выход разделенных продуктов 84%<br />
паративной циркуляционной газовой хроматографии на стадии<br />
выделения изучаемых объектов из продуктов полукоксования. С<br />
применением метода циркуляционной газовой хроматографии<br />
было показано, что в легком масле смолы среднетемпературного<br />
коксования черемховского угля содержатся нормальные насыщенные,<br />
циклические, ароматические углеводороды, гетероциклические<br />
сернистые соединения ряда тиофена и бензотиофена, а<br />
также конденсированные ароматические углеводороды преимущественно<br />
ряда нафталина. На рис. 138 представлена хроматограмма<br />
препаративного разделения одной из узких фракций<br />
легкого масла смолы термодеструктированного черемховского<br />
угля.<br />
До недавнего времени разделение энантиомеров ос-аминокислот<br />
методом газо-жидкостной хроматографии на оптически активных<br />
стационарных фазах осуществлялось с помощью высокоэффективных<br />
капиллярных колонок. Благодаря появлению высокоселективных<br />
хиральных жидких фаз [148-153] стало воз-<br />
411
Время.<br />
Рис. 139. Фрагменты хроматограммы циркуляционно-хроматографического<br />
разделения рацемического изопропилового эфира /V-трифторацетилаланина.<br />
Условия: колонки размером 2 м х 3 мм, неподвижная фаза<br />
- трет.-бутиламид /У-стеароил-^-валина (4,6%) и ПЭГ-20М (4,4%) на<br />
Хроматоне /V-Cynep; температура колонок 137 0 C, р вх = 0,69; р пых =<br />
= 065 МПа, расход газа-носителя (гелия) 35 мл/мин, отбор газа между<br />
колонками 2,5%, объем пробы 1 мкл<br />
/ и 2 - D- и L-изомеры, соответственно<br />
Время, ч 4<br />
W=I<br />
Рис. 140. Фрагменты хроматограммы разделения рацемического изопропилового<br />
эфира /V-трифторацетилнорвалина на колонках размером<br />
2,5 м х 8 мм, заполненных mpera.-бутиламидом УУ-стеароил-Ь-валина<br />
(10%) на Хроматоне N-AW DMCS. Условия: температура колонок<br />
17O 0 C, р т = 0,66, р вых = 0,60 МПа, расход газа-носителя (азота)<br />
70 мл/мин, отбор газа между колонками 3,7%, исходная загрузка 90 мг;<br />
/ и 2 -£>(-)- и Ц+)-изомеры, соответственно; выход разделенных продуктов<br />
90%<br />
можным применение для этой цели не только капиллярных, но и<br />
достаточно эффективных коротких наполненных колонок<br />
[154-157]. В этой связи представляется перспективным применение<br />
для препаративного разделения рацематов коротких наполненных<br />
колонок с селективной хиральной стационарной фазой,<br />
включенных в циркуляционную схему.<br />
В работе [158] описано циркуляционно-хроматографическое<br />
разделение энантиомеров аланина (рис. 139), валина, норвалина,<br />
412<br />
лейцина, норлейцина, ялло-изолейцина и изолейцина. в форме<br />
изопропиловых эфиров jV-трифторацетильных производных на<br />
mpe/л.-бутиламиде Л'-стеароил^-валина в качестве неподвижной<br />
фазы. Рассматривая проведенные эксперименты в качестве модели<br />
последующего препаративного выделения оптически активных<br />
соединений из рацемических смесей, авторы работы [158]<br />
показали, что предложенный хиральный разделяющий агент обладает<br />
удачным сочетанием довольно высокой термостойкости<br />
(более 170 0 C) с высокой разделяющей способностью. Даже при<br />
смешении хирального диамида с ахиральным полиэтиленгликолем<br />
в соотношении 1:1 удалось осуществить практически полное<br />
разделение энантиомеров ряда аминокислот.<br />
В дальнейшем с использованием колонок размером<br />
2,5 м х 8 мм с сорбентом, содержащим 10% чистой хиральной неподвижной<br />
фазы, действительно, удалось осуществить препаративное<br />
разделение рацематов ряда а-аминокислот [159]. На<br />
рис. 140 представлены фрагменты хроматограммы препаративного<br />
разделения рацемата норвалина методом циркуляционной<br />
газовой хроматографии. Контроль оптической чистоты выделенных<br />
антиподов, проведенный по дисперсии оптического вращения<br />
собранных фракций и чистых L- и D-форм стандарта в<br />
растворах с близкой концентрацией, показал хорошее соответствие<br />
дисперсионных кривых стандартных образцов и соответствующих<br />
выделенных фракций. Было показано, что при загрузке<br />
исходного рацемата в количестве 90-120 мг выход разделенных<br />
фракций с учетом потерь, связанных с отбором части газового<br />
потока для осуществления безимпульсного режима циркуляционной<br />
хроматографии, составляет 70-90%. Производительность<br />
применявшейся циркуляционной установки, выполненной на базе<br />
серийного газового хроматографа ЛХМ-8МД, соответствовала<br />
0,4-0,6 г рацемата в сутки. При этом для повышения производительности<br />
препаративного разделения энантиомеров имеются<br />
значительные резервы, например, использование циркуляционных<br />
систем полунепрерывного действия. Приведенные выше<br />
данные позволяют рассматривать описанный процесс препаративной<br />
циркуляционной газовой хроматографии оптически активных<br />
веществ как новый, ранее не применявшийся в органической<br />
химии, способ разделения рацемических смесей, который<br />
может найти свое место в практике исследований в области тонкого<br />
органического синтеза и биохимии.<br />
Развитые представления об эффектах импульсного сокращения<br />
и расширения хроматографических зон, выявленные на их<br />
основе оптимальные режимы безимпульсной циркуляционной<br />
хроматографии и новые аппаратурно-методические варианты<br />
413
циркуляционной хроматографии создали основу для использования<br />
этого метода для высокоэффективного препаративного разделения<br />
чрезвычайно близких по свойствам соединений.<br />
Препаративная циркуляционная хроматография в безимпульсном<br />
режиме, характеризующемся линейным ростом числа<br />
теоретических тарелок при увеличении числа циклов, позволяет<br />
достигать эффективности разделения, сопоставимой с возможностями<br />
капиллярной хроматографии, однако, при величине пробы,<br />
большей в 10 6 — 10 7 раз. Это позволяет в течение приемлемого<br />
времени получать чистые разделенные компоненты в количествах,<br />
достаточных для дальнейших физических, химических и<br />
биологических исследований.<br />
Углубление теоретических знаний, совершенствование техники<br />
и методики циркуляционной хроматографии открывают широкие<br />
перспективы для дальнейшего развития циркуляционного метода<br />
в различных вариантах хроматографии - газовой, парофазной,<br />
сверхкритической, жидкостной - как способа физико-химического<br />
исследования, анализа, накопления и препаративного разделения<br />
близких по строению и свойствам соединений.<br />
9.7. ЦИРКУЛЯЦИОННАЯ ГАЗОВАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ<br />
НА КАПИЛЛЯРНЫХ КОЛОНКАХ<br />
6<br />
-E] 5<br />
т<br />
Al 4<br />
Успешное развитие циркуляционной газовой хроматографии<br />
на наполненных колонках естественным образом привело к мысли<br />
о создании циркуляционной системы с капиллярными колонками.<br />
При этом можно было бы ожидать достижения полной эффективности<br />
такой системы до нескольких миллионов теоретических<br />
тарелок, если эффективность каждой из колонок, включенных<br />
в циркуляционную схему составила бы 50-100 тыс. т.т.<br />
Такие системы были действительно осуществлены вначале<br />
Дженнингсом и сотр. [29, 30] и позже Чижковым и Стерховым<br />
[160-163]. Эти исследователи успешно осуществили несколько<br />
вариантов циркуляционных схем со стеклянными и кварцевыми<br />
капиллярными колонками. Примеры таких систем представлены<br />
на рис. 141.<br />
При этом была показана возможность достижения разделяющей<br />
способности до четырех миллионов теоретических тарелок<br />
за относительно короткое время. Такая эффективность более<br />
чем достаточна для разделения тесных пар изотопно-замещенных<br />
органических соединений, различающихся всего на один<br />
атом дейтерия (рис. 142).<br />
414<br />
Рис. 141. Конструкции циркуляционных газо-хроматографических систем<br />
с капиллярными колонками<br />
/ - испаритель; 2 - кран; 3 - стеклянные капиллярные колонки; 4 - пламенно-ионизационный<br />
микродетектор; 5 - сумматор потоков; 6 - регулятор давления;<br />
7-пневмосопротивление; 8-делитель потока; 9-регулятор давления; 10-<br />
вентиль тонкой регулировки<br />
При использовании таких циркуляционных систем полная<br />
эффективность, равная шести миллионам т.т., была достигнута<br />
после 35 циклов. Общая длина колонки, пройденная хроматографической<br />
зоной в этих опытах, составила 4,2 км. По-видимому,<br />
этот результат представляет собой наиболее высокую разделяющую<br />
способность, достигнутую к настоящему времени при использовании<br />
всех известных хроматографических систем.<br />
На первый взгляд может показаться, что в стремлении к достижению<br />
такой высокой эффективности нет особого смысла,<br />
так как изомерные и изотопно-замещенные органические соединения<br />
с исчезающе малыми различиями в их летучести (а менее<br />
1,005) могут быть успешно разделены уже при эффективности<br />
415
т - g<br />
т _ 5<br />
m - 2<br />
Рис. 142. Циркуляционное газохроматографическое<br />
разделение<br />
смеси дейтерозамещенных аналогов<br />
бензола<br />
/ - гексадейтеробензол; 2 - тетрадейтеробензол;<br />
3 - дидейтеробензол;<br />
4 - бензол<br />
Другими примерами трудноосуществимых разделений, ожидающих<br />
своего решения, можно назвать разделение изомерных<br />
моно- или дидейтеробензолов с одним или несколькими алкильными<br />
заместителями, как в случае изомеров дейтеротолуола<br />
CH 2 D CH 3 CH 3 CH 3<br />
J\ J<br />
Время, мин 396 392 124 120<br />
хроматографической системы<br />
в 2-3 миллиона т.т. Однако непрерывное<br />
развитие науки и<br />
технологии настоятельно требует<br />
решения все более и бо-<br />
48 лее трудных задач анализа и<br />
разделения веществ, которые<br />
предстоит решать новым поколениям<br />
исследователей, вдохновляемых теми новыми фантастическими<br />
перспективами, открывающимися перед ними в сфере<br />
хроматографии. Среди таких проблем, ожидающих своего решения<br />
можно указать задачи разделения изомеров органических<br />
соединений, различающихся по положению или по пространственной<br />
конфигурации атома изотопа в молекуле, как, например,<br />
атомы дейтерия в изомерных аддуктах 1-дейтеробутадиена с<br />
асимметрическими диенофилами<br />
ч<br />
D<br />
или в изомерах дидейтеробензола<br />
416<br />
и целый ряд других примеров.<br />
Существенной особенностью таких проблем является то обстоятельство,<br />
что они не могут быть решены с помощью других<br />
аналитических методов, например, таких как метод масс-спектрометрии,<br />
столь важный в других изотопных исследованиях.<br />
ЛИТЕРАТУРА<br />
1. Чижков В.П. Il Завод, лаб. 1969. T. 35. С. 129.<br />
2. Чижков В.П. Il Там же. 1973. T. 39. С. 663.<br />
3. Жуховицкий А.А., Туркелыпауб HM. Il Газовая хроматография:<br />
(Tp. I Всесоюз. конф.). M.: Изд-во АН СССР, 1960. С. 107.<br />
4. Spedding E., Powell LW., Svec H. // J. Amer. Chem. Soc. 1955. Vol. 77.<br />
P. 6125.'<br />
5. Андреев Б.М., Боресков Г.К., Каталъников С.Г. II Хим. пром-сть.<br />
1961. №6. С. 389.<br />
6. Porath J., Bennich H. // Arch. Biochem. and Biophys. Suppl. 1962. Vol. 1.<br />
P. 152. •<br />
7. Killander J., Bengtsson S., Philipson L. Il Proc. Soc. Exp. Biol, and Med.<br />
1964. Vol. 115. P. 861.<br />
8. Killander J. II Biochim. et Biophys. acta. 1964. Vol. 93. P. 1.<br />
9. Bombaugh KJ., Dark W.A., Levangie R.F. Il J. Chromatogr. Sci. 1969.<br />
Vol. 7. P. 42.<br />
10. Bombaugh KJ. //J Chromatogr. 1970. Vol. 53. P. 27.<br />
11. Bombaugh KJ., Levangie R.E. II Separ. Sci. 1970. Vol. 5. P. 751.<br />
12. Bombaugh KJ., Levangie RF. // J. Chromatogr. Sci. 1970. Vol. 8. P. 560.<br />
13. Biesenberger J.A., Tan M., Duvdervani J., Maurer T. // Polym. Lett. 1971.<br />
Vol. 9. P. 353.<br />
14. Nakamura S., Yshiguro S., Yamada T., Moziizumi S. Il J Chromatogr. 197<br />
Vol. 83. P. 279.<br />
15. Kalasz H., Knoll J. // Sci. Tools. 1973. Vol. 20. P. 15.<br />
417
15. Henry RA., Byrne S.H., Hudsen D.R. // J. Chromatogr. Sci. 1974. Vol. 12.<br />
P. 197.<br />
17. Lesec J., Lafuma F., Quivoron C. Il Ibid. P. 683.<br />
18. Сотое K.E. // Chromatographia. 1975. Vol. 8. P. 119.<br />
19. Kalasz H., Nagy J., Knoll J. // J. Chromatogr. 1975. Vol. 105. P. 35.<br />
20. Cooper A.R. // Chromatographia. 1975. Vol. 8. P. 136.<br />
2\. Martin M., Verillon F., Eon C, Guiochon G. Il J. Chromatogr. 1976.<br />
Vol. 125. P. 17.<br />
22. Little L.N., Cotter R.L., Prendergast JA., McDonald P.D. // Ibid. Vol. 126.<br />
P. 439.<br />
23. Yoshida T., Chi-Kuen Shu, Theimer E.T. //Ibid. 1977. Vol. 137. P. 461.<br />
24. Lesec J., Lafuma F., Quivoron C. I I Ibid. Vol. 138. P. 89.<br />
25. Рокоту S., Lukas R., Janca J., Kolinsky M. // Ibid. 1978. Vol. 148. P. 183.<br />
26. Snyder L.R., Dolan J.W., van der WaI S. Il Ibid. 1981. Vol. 203. P. 3.<br />
ll.Minarik M., Popl M., Mostecky J. // J. Chromatogr. Sci. 1981. Vol. 19.<br />
P. 250.<br />
28. Kucera P., Manias G. Hi. Chromatogr. 1981. Vol. 219. P. 1.<br />
29. Cog B., Cretier G., Rocca J.L., Vialle J. // J. Liquid Chromatogr. 1981.<br />
Vol. 4. P. 237.<br />
30. Gocan S., Kondor E. I I Stud. Univ. Babes-Bolyai. Chem. 1979. Vol. 24.<br />
P. 15.<br />
31. Sakodynsky KJ., Wolkow SA., Brazhnikow W.W., Zhavoronkow N.M. //<br />
Gas-Chromatographie. 1963: (Vortrage des IV. Symp. Gas-<br />
Chromatographie). B.: Akad.-Verl. 1963. S. 231.<br />
32. Сакодынский К.И., Волков CA., Жаворонков Н.М. // Докл.<br />
АН СССР. 1966. T. 170. С. 1136.<br />
33. Волков CA., Сакодынский К.И., Дармоно M. Il Нефтехимия. 1969.<br />
T. 9. С. 638.<br />
34. Тарамассо M., Сакодынский К.И. // Успехи хроматографии. M.: Наука.<br />
1972. С. 248.<br />
35. Jennings W., Settlage JA., Miller RJ. // J. High Resolut. Chromatogr.<br />
Chromatogr. Commun. 1979. Vol. 2. P. 441.<br />
36. Jennings W., Settlage J.A., Miller RJ., Raabe O.G. // J. Chromatogr. 1979.<br />
Vol. 186. P. 189.<br />
37. Martin AJ.P. // Vapour phase chromatography / Ed. D.H. Desty. L.:<br />
Butterworths, 1957. P. 1.<br />
38. Martin AJ.P. II Gas chromatography / Ed. V.S. Coates et al. N.Y.: Acad.<br />
press. 1958. P. 237.<br />
39. Porter R.S., Johnson J.F. // Nature. 1959. Vol. 183. P. 391.<br />
40. Porter R.S., Johnson J.F. // Ibid. Vol. 184. P. 978.<br />
41. Porter R.S., Johnson J.F. /I Industr. and Eng. Chem. 1960. Vol. 52. P. 691.<br />
42. Sideman S. Il Bull. Res. Council Isr. 1961. Vol. 10A. P. 20.<br />
43. Sideman S. II Chem. Eng. Sci. 1963. Vol. 18. P. 95.<br />
44. Maxwell CT. I I Pat. 3112639 US. Appl. 1960; 1964. Vol. 60, 6221.<br />
45. Чижков В.П., Самогил И., Скорняков Э.П. Il А.с. 160363 СССР.<br />
1961; БИ. 1964. № 3.<br />
46. Golay MJ.E. Pat. 3220664 US. 1962; Appl. 1962; Chem. Abstr. 1963.<br />
Vol. 59. 9292.<br />
418<br />
47. Golay M.J.E., Hill HJ., Norem S.D. I/ Anal. Chem. 1963. Vol. 35. P. 488.<br />
48. Sakodynsky KJ. // Gas Chromatography. 1962 / Ed. M., van Swaay. L.:<br />
Butterworths. 1962. P. 64.<br />
49. Sideman S. II Bull. Chem. Soc. Jap. 1964. Vol. 37. P. 1565.<br />
50. Pat. 1623052 FRG Appl. 1966.<br />
51. Чижков В.П.. Скорняков Э.П. А.с. 182397 СССР. Заявл. 1965; БИ.<br />
1966. № 1.<br />
52. Рапопорт Л.M., Чижков В.П., Скорняков Э.П. А.с. 180408 СССР.<br />
Заявл. 1965; БИ 1966. № 7.<br />
53. Скорняков Э.П., Чижков В.П. А. с. 182396 СССР. Заявл. 1965; БИ.<br />
1966. № 11.<br />
54. Скорняков Э.П., Вайнберг И.Б., Тупицын B.C. A. с. 187389 СССР.<br />
Заявл. 1965; БИ. 1966. № 20.<br />
55. Скорняков Э.П., Вайнберг И.Б., Тупицын B.C., Сакодынский К.И. Il<br />
Хим. пром-сть. 1967. № 4. С. 265.<br />
56. Barker P.E. // Brit. Chem. Eng. 1966. Vol. 11. P. 202.<br />
57. Barker P.E. // Discovery. 1966. Vol. 27. P. 18.<br />
58. Barker P.E., Huntington D.H. // J. Gas Chromatogr. 1966. Vol. 4. P. 59.<br />
59. Barker P.E., Deeble RE. // Anal. Chem. 1973. Vol. 45. P. 1121.<br />
60. Barker P.E., Liodakis S.E. // Chromatographia. 1978. Vol. 11. P. 703.<br />
61. Barker P.E., Liodakis S.E., Howari ML. // Canad. J. Chem. Eng. 1979.<br />
Vol. 57. P. 42.<br />
62. Чижков В.П., Горюнов Ю.А. II А. с. 231201 СССР. Заявл. 1966; БИ<br />
1968. №35.<br />
63. Maczek A.O.S. Il J. Chromatogr. 1967. Vol. 30. P. 25.<br />
64. Deford D.D. Pat. 3455090 US. Appl. 1969; Chem. Abstr. 1969. Vol. 71.<br />
P. 140.<br />
65. Скорняков Э.П., Климента Т.Н., ХеремХ.Э. А. с. 318864 СССР. Заявл.<br />
1967; БИ. 1971. №32.<br />
66. Скорняков Э.П., Ефимов В Д., Калмановский BM., Рыбалченко Ю.П.<br />
А. с. 309296 СССР. Заявл. 1967; БИ 1971. № 22.<br />
67. Скорняков Э.П., Климента Т.Н., Херем Х.Э. А.с. 304857 СССР. Заявл.<br />
1969; РЖХим. 1979. ЗГ190П.<br />
68. Чижков В.П., СиницынаЛ.А., Юшина Г.А.,Лягин Ю.М. А.с. 425104<br />
СССР. 1972; БИ. 1974. № 15.<br />
69. Чижков В.П., Синицына Л.А. // Жур. аналит. Химии. 1974. T. 29.<br />
С. 600.<br />
70. Чижков В.П., Руденко Б.А., Синицына Л.А., Юшина Г.А. // Изв.<br />
АН СССР. Сер. хим. 1975. С. 1207.<br />
71. Чижков В.П., Синицына Л. А., Лягин Ю.М. //Завод, лаб. 1972. T. 38.<br />
С. 1301.<br />
72. Чижков В.П., Юшина Г.А. // Журн. аналит. химии. 1976. T. 31. С. 16.<br />
73. Чижков В.П.. Юшина Г.А., Павлов CC,Литвин Е.Ф., Руденко Б.А.<br />
А. с. 506801 СССР. Заявл. 1973; БИ 1976. № 10.<br />
74. Чижков В.П., Юшина Г.А., Руденко Б.А., Забокрицкий M.П. II<br />
Журн. аналит. химии. 1979. T. 34. С. 1847.<br />
75. Забокрицкий М.П., Павлов CC, Руденко Б.А., Чижков В.П. А.с.<br />
756289 СССР. Заявл. 1978; БИ 1980. № 30.<br />
419
76. Marlin A.J.P. // Experientia. 1956. Vol. 5. P. 21.<br />
77. Скорняков Э.П., Сакодынский К.И., Чижков В.П. //Журн. физ. химии.<br />
1966. T. 40. С. 1975.<br />
78. Волков CA. H IV Всесоюз. науч.-техн. конф. по газовой хроматографии<br />
(Киев. 1966): Тезисы и аннот. докл. M., 1966. С. 24.<br />
79. Сакодынский К.И., Волков CA., Зелъвенский В.К. Il Газовая хроматография:<br />
(Tp. III Всесоюз. конф.). Дзержинск, 1966. С. 326.<br />
80. Новаковский EM., Коган В.Б., Данишевский Л.П., Утробина Л.В.<br />
Il Газовая хроматография. 1968. Вып. 8. С. 91.<br />
81. Новаковский EM., Коган В.Б., Утробина Л.В., Данишевский<br />
Л.П. //Там же. 1969. Вып. 9. С. 127.<br />
82. Root J.W., Lee Е.К.С, Rowland F.С. Il Science. 1964. Vol. 143. P. 676.<br />
83. Ache HJ., WolfA.P. // J. Amer. Chem. Soc. 1966. Vol. 88. P. 888.<br />
84. Ache HJ., WolfA.P. //Ztschr. anal. Chem. 1967. Bd. 230. S. 19.<br />
85. Bayer E., Nicholson G., Sievers R.E. // J. Chromatogr. Sci. 1970. Vol. 8.<br />
P. 467.<br />
86. Мюллер Г., Майерсбергер К., Шпринц X. // Специальные методы<br />
анализа стабильных изотопов. M.: Атомиздат. 1974. С. 262.<br />
87. Жуховицкий AA., Туркельтауб HM. // Успехи химии. 1957. T. 26.<br />
С. 992.<br />
88. Чижков В.П., Усоров М.И. А. с. 345433 СССР. Заявл. 1970; БИ<br />
1972. №22.<br />
89. Чижков В.П., Усоров М.И. //Завод, лаб. 1971. T. 37. С. 1281.<br />
90. Чижков В.П. H Журн. аналит. хим. 1972. T. 27. С. 1383.<br />
91. Чижков В.П., Усоров М.И., Синицына Л.А. // Завод, лаб. 1971.<br />
T. 37. С. 1286.<br />
92. Чижков В.П., Матюков А.А., Гуревич Я.А., Литвин Е.Ф. // Жунр.<br />
физ. химии. 1969. T. 43. С. 1053.<br />
93. Чижков В.П., Матюков А.А., Гуревич Я.А., Усоров М.И. // Завод.<br />
лаб. 1969. T. 35. С. 1446.<br />
94. Чижков В.П., Литвин Е.Ф., Усоров М.И. и др. // Изв. АН СССР.<br />
Сер. хим. 1971. №6. С. 1154.<br />
95. Pauls R.E., Shepard А.Т., Phelps J.E. et al. // Separ. Sci. 1977. Vol. 12.<br />
P. 289.<br />
96. Усоров М.И. Исследование эффективности и разделяющей способности<br />
насадочных колонок в циркуляционной газовой хроматографии.<br />
Дис. ... канд. хим. наук. M., 1972.<br />
97. Чижков В.П., Синицына Л.А. // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1972.<br />
С. 674.<br />
98. Lovelock J.E., Simmonds P.G., Shoemake G.R. Il Anal. Chem. 1970.<br />
Vol. 42. P. 969.<br />
99. Lovelock J.E., Simmonds P.G., Shoemake G.R. Il Ibid. 1971. Vol. 43.<br />
P. 1958.<br />
100. Чижков В.П.. Самогил И. // Журн. физ. химии. 1968. T. 42. С. 3127.<br />
101. Чижков В.П., Матюков А.А., Гуревич Я.А. Il Завод, лаб. 1971.<br />
T. 37. С. 1038.<br />
102. Brunei- Г., Di Corcia A. // J. Chromatogr. 1969. Vol. 45. P. 304.<br />
103. Di Corcia A., Bruner F. // Ibid. 1970. Vol. 49. P. 139.<br />
420<br />
104. Di Corcia A., Fritz D., Bruner F. // Ibid. Vol. 53. P. 135.<br />
105. Bruner F., Ciccioli P., Di Corcia A. // Anal. Chem. 1972. Vol. 44. P. 894.<br />
106. Di Corcia A., Glabbal M. // Ibid. 1978. Vol. 50. P. 1000.<br />
107. Чижков В.П. H Журн. физ. химии. 1973. T. 47. С. 1812.<br />
108. Чижков В.П. H Журн. анал. химии. 1974. T. 29. С. 1193.<br />
109. Чижков В.П., Юшина ГА., Литвин Е.Ф. // Там же. 1976. T. 31.<br />
С. 1521.<br />
110. Goretti G., Liberti A., Nota G. Il Gas Chromatography. 1968 / Ed. C.L.A.<br />
Harbourn. L.: Inst. Petrol. 1969. P. 23.<br />
111. Goretti G., Liberti A., Nota G. // J. Chromatogr. 1968. Vol. 34. P. 96.<br />
112. Pecsar R.E. Il Preparative Gas chromatography / Ed. A Zlatkis,<br />
V. Pretorius. N.Y.: Wiley. 1971. Рус. пер. в кн.: Препаративная газовая<br />
хроматография. M.: Мир. 1974. С. 80.<br />
113. Verzele M. Il Ibid. Рус. пер. в кн.: Препаративная газовая хроматография.<br />
M.: Мир. 1974. С. 238.<br />
114. Чижков В.П. Дис. ... хим. наук. M.: 1977.<br />
115. Chizhkov V.P., Yushina GA., Sinitsina LA., Rudenko BA. //<br />
J. Chromatogr. 1976. Vol. 120. P. 35.<br />
116. Guiochon G. Il Chromatogr. Rev. 1966. Vol. 8. P. 1.<br />
117. Verzele M., Verstappe M. // J. Chromatogr. 1965. Vol. 19. P. 504.<br />
118. Verzele M. Il J. Gas Chromatogr. 1966. Vol. 4. P. 180.<br />
119. Руденко Б.А., Кузовкин BA., Пауков В.Н., Кучеров В.Ф. II Изв.<br />
АН СССР. Сер. хим. 1971. С. 1384.<br />
120. Сакодынский К.И., Волков CA. // Препаративная газовая хроматография.<br />
M.: Химия. 1972. С. 95.<br />
121. Чижков В.П., Юшина ГА.,Либерман АЛ., Тюнькина H.И. II Завод.<br />
лаб. 1978. T. 44. С. 1064.<br />
122. Dickel G., Becker К. II Chem. Ing. Techn. 1966. Bd. 28. S. 529.<br />
123. Бреслер CE., Егоров А.И., Константинов Б.П. // Изв. АН СССР.<br />
OXH. 1960. С. 1938.<br />
124. Davidson CN., Mann CK., Sheline R.K. // J. Amer. Chem. Soc. 1961.<br />
Vol. 83. P. 2389.<br />
125. Жуховицкий А.А., Туркельтауб HM. // Газовая хроматография.<br />
M.: Гостоптехиздат. 1962. С. 43.<br />
126. Чижков В.П. Il Теорет. основы хим. технологии. 1969. T. 3. С. 518.<br />
127. Liberti A., Cartoni G.P., Bruner F. // J. Chromatogr. 1963. Vol. 12. P. 8.<br />
128. Cartoni G.P., Liberti A., PeIa A. Il Anal. Chem. 1967. Vol. 39. P. 1618.<br />
129. Ле-Чи-Ле, Сакодынский К.И. // Журн. физ. химии. 1972. T. 46.<br />
С. 1510.<br />
130. Руденко Б.А. // Капиллярная хроматография. M.: Наука. 1978. С. 11.<br />
131. Lambrecht RM., Withnell R., WolfA.P. // Chem. Instrum. 1976. Vol. 7.<br />
P. 157.<br />
132. Blanc C, Huynch C-T., Espagno L. Il J. Chromatogr. 1967. Vol. 28. P. 177.<br />
133. Чижков В.П., Синицына Л.А. Il Журн. физ. химии. 1974. T. 48.<br />
С. 142.<br />
134. Chizhkov V.P.. Sinitsina L.A. II J. Chromatogr. 1975. Vol. 104. P. 327.<br />
135. Забокрицкий M.П., Руденко Б.А., Чижков В.П. // Изв. АН СССР.<br />
Сер. хим. 1977. С. 1627.<br />
421
136. Чижков В.П., Юшина Г.А.,Литвин Е.Ф. //Журн. физ. химии. 1978.<br />
T. 52. С. 475.<br />
137. Забокрицкий M.П., Руденко Б.А., Чижков В.П. // Аналитическое и<br />
препаративное применение хроматографии. M.: НИИТЭХИМ.<br />
1980. С. 62.<br />
138. Забокрицкий M.П. Высокоэффективное пропаративное разделение<br />
близких по строению и свойствам органических соединений методом<br />
циркуляционной газовой хроматографии. Дис. ... канд. хим.<br />
наук. M., 1982.<br />
139. Чижков В.П., Усоров MM. //Завод, лаб. 1971. T. 37. С. 131.<br />
140. ReidA.M. //J. Chromatogr. Sci. 1976. Vol. 14. P. 203.<br />
141. Berezkin V.G., Shirjeva V.E. Il J. Chromatogr.. 1972. Vol. 69. P. 25.<br />
142. Мин Р.С, Аксенов B.C., Виноградов М.Г., Никишин Г.И. // Изв. АН<br />
СССР. Сер. хим. 1979. С. 2292.<br />
143. Забокрицкий M.П., Букин В.А., Руденко Б.А. // Там же. 1982.<br />
С. 2277.<br />
144. Anteunis M., Alderweireldt F. // Bull. Soc. chim. BeIg. 1964. Vol. 73.<br />
P. 903.<br />
145. Rommelaere Y., Anteunis M. // Ibid. 1970. Vol. 79. P. 11.<br />
146. Willy W.E., Binsch G., Eliel EL. // J. Amer. Chem. Soc. 1970. Vol. 92.<br />
P. 5394.<br />
147. Kametani F., Sumi Y. // Chem. Pharm. Bull. 1972. Vol. 20. P. 1479.<br />
148. GiI-Av E., Feibush B. // Tetrahedron Lett. 1967. N 35. P. 3345.<br />
149. Feibush B. // Chem. Commun. 1971. N 11. P. 544.<br />
150. Frank H., Nicholson G.L, Bayer E. // J. Chromatogr. Sci. 1977. Vol. 15.<br />
P. 176.<br />
\5\.SaeedT., Sandra P., Verzele M. //J. Chromatogr. 1979. Vol. 186. P. 611.<br />
152. Oi N., Hiroaki 0., Shimada H. // Bunseku Kagaku (= Jap. Analyst). 1979.<br />
Vol. 28. P. 125.<br />
153. Oi N., Hiroaki 0., Shimada H. et al. // Ibid. 1980. Vol. 29. P. 270.<br />
154. Lochmuller CH., Souter R.W. // J. Chromatogr. 1973. Vol. 87. P. 243.<br />
155. Banner WA., Van Dort MA., Flores L. // Anal. Chem. 1974. Vol. 46.<br />
P. 2104.<br />
156. Charles R., Beitler U., Feibush B., GiI-Av E. // J. Chromatogr. 1975.<br />
Vol. 112. P. 121.<br />
157. Oi N., Horiba M., Kitahara H. // Ibid. 1980. Vol. 202. P. 299.<br />
158. Забокрицкий M.П., Руденко Б.А., Чижков В.П. и др. // Изв.<br />
АН СССР. Сер. хим. 1981. С. 1045.<br />
159. Забокрицкий М.П., Руденко Б.А., Чижков В.П. //Докл. АН СССР.<br />
1982. T. 263. С. 1155.<br />
160. Стерхов H.В.. Равикович В.M.,Литвин Е.Ф., Чижков В.П. // Журн.<br />
физ. химии. 1983. T. 57. С. 2897.<br />
161. Стерхов H.В., Забокрицкий М.П., Чижков В.П. Il Изв. АН СССР.<br />
Сер. хим. 1985. С. 1233.<br />
162. Chizhkov V.P., Pavlov S.S., Sterkhov N.V. et al. // Talanta. 1987. Vol. 34.<br />
P. 227.<br />
163. Стерхов Н.В., Чижков В.П. // Завод, лаб. 1991. T. 57. С. 1.<br />
ОГЛАВЛЕНИЕ<br />
Предисловие 3<br />
Глава 1<br />
Введение 6<br />
1.1. Что такое "высокоэффективные хроматографические процессы"<br />
6<br />
1.2. Возникновение высокоэффективных хроматографических<br />
методов 8<br />
1.3. Связь хроматографических параметров разделяемых веществ<br />
с их физическими свойствами 11<br />
1.4. Разделение. Эффективность хроматографической системы ... 16<br />
1.5. Необходимость высокоэффективных разделительных систем<br />
в хроматографии 21<br />
1.6. Связь эффективности хроматографического разделения с параметрами<br />
эксперимента 25<br />
Глава 2<br />
Высокоэффективная газовая хроматография на наполненных колонках<br />
37<br />
Глава 3<br />
Капиллярная хроматография 56<br />
3.1. Возникновение и развитие капиллярной хроматографии 56<br />
3.2. Течение газов в тонких трубках 62<br />
3.3. Зависимость скорости хроматографического процесса от<br />
вязкости подвижной фазы 65<br />
3.4. Движение хроматографической зоны в трубках с покрытыми<br />
жидкостью стенками. Уравнение Голея 67<br />
3.5. Сопротивление массопередаче на межфазных границах 77<br />
3.6. Перепад давления в колонке. Показатель эффективности .... 78<br />
3.7. Эффективность колонок некруглого сечения 82<br />
3.8. Эффективность капиллярных колонок в турбулентном режиме<br />
течения подвижной фазы 83<br />
3.9. Способы выражения эффективности капиллярных колонок 89<br />
3.10. Определение параметров удерживания несорбирующегося<br />
компонента при работе с капиллярными колонками 94<br />
423
3.11. Сопоставление основных характеристик капиллярных и наполненных<br />
колонок 98<br />
3.12. Влияние величины пробы на параметры разделения в капиллярной<br />
колонке 104<br />
Глава 4<br />
Приготовление капиллярных колонок 115<br />
4.1. Материалы для изготовления капиллярных колонок 115<br />
4.2. Подготовка капиллярных трубок для нанесения неподвижной<br />
фазы на их внутреннюю поверхность 119<br />
4.3. Нанесение неподвижной жидкой фазы динамическим способом<br />
124<br />
4.4. Нанесение неподвижных жидких фаз статическим способом 134<br />
4.5. Капиллярные колонки со стенками, покрытыми твердым носителем<br />
137<br />
4.6. Капиллярные колонки для газоадсорбционной хроматографии<br />
141<br />
4.7. Завершающие операции в процессе приготовления капиллярных<br />
колонок 144<br />
4.8. Подавление адсорбционной активности газожидкостных капиллярных<br />
колонок 145<br />
Глава 5<br />
Стеклянные и кварцевые капиллярные колонки 152<br />
5.1. Стеклянные и кварцевые капиллярные колонки в медико-биологических<br />
исследованиях и анализе неустойчивых веществ .. 152<br />
5.2. Технология изготовления стеклянных капилляров большой<br />
длины 155<br />
5.3. Модификация внутренней поверхности стеклянных и кварцевых<br />
капилляров 161<br />
5.4. Техника нанесения неподвижных фаз на стеклянные и кварцевые<br />
капиллярные колонки 172<br />
5.5. Стеклянные и кварцевые капиллярные колонки со стенками,<br />
покрытыми твердыми носителями и адсорбентами 176<br />
5.6. Иммобилизация полисилоксановых неподвижных фаз на стенках<br />
капиллярных колонок 191<br />
5.7. Общие рекомендации по приготовлению стеклянных и кварцевых<br />
капиллярных колонок 195<br />
5.8. Испытание готовых капиллярных колонок и оценка их качества<br />
199<br />
Глава 6<br />
Некоторые неподвижные фазы для капиллярной хроматографии 215<br />
6.1. Неподвижные фазы общего назначения 215<br />
6.2. Жидкокристаллические неподвижные фазы 219<br />
6.3. Модифицирование неподвижных фаз полярными добавками 221<br />
6.4. Неподвижные фазы для разделения оптических изомеров органических<br />
соединений 223<br />
Глава 7<br />
Аппаратура для капиллярной хроматографии 237<br />
7.1. Особенности газохроматографической аппаратуры, применяемой<br />
при работе с капиллярными колонками 237<br />
7.2. Устройства для ввода проб в капиллярные колонки 249<br />
7.3. Детектирующие устройства. Количественные определения в<br />
капиллярной хроматографии 274<br />
7.4. Регистраторы. Экспресс-хроматография 311<br />
Глава 8<br />
Сочетание капиллярной хроматографии и масс-спектрометрии ... 335<br />
8.1. Хромато-масс-спектрометрия - наиболее совершенный метод<br />
анализа состава органических веществ 335<br />
8.2. Особенности аппаратуры. Требования к масс-спектрометрам 341<br />
8.3. Удаление газа-носителя. Молекулярные сепараторы 344<br />
8.4. Соединение капиллярных хроматографов и масс-спектрометров<br />
351<br />
8.5. Применение капиллярной хроматографии для анализа трудноразделяемых<br />
и многокомпонентных смесей 357<br />
8.6. Капиллярная хроматография в биохимических и медико-биологических<br />
исследованиях 367<br />
Глава 9<br />
Циркуляционная газовая хроматография 382<br />
9.1. Введение 382<br />
9.2. Варианты циркуляционной газовой хроматографии. Аппаратура<br />
383<br />
9.3. Основные теоретические закономерности процесса циркуляционной<br />
газовой хроматографии 386<br />
9.4. Эффективность колонок в циркуляционной газовой хроматографии<br />
398<br />
9.5. Разделение изотопно-замещенных соединений 401<br />
9.6. Разделение близких по строению и свойствам органических<br />
соединений 405<br />
9.7. Циркуляционная газовая хроматография на капиллярных колонках<br />
414<br />
424
Научное издание<br />
Руденко Борис Антонович<br />
Руденко Галина Ивановна<br />
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ<br />
ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ<br />
ПРОЦЕССЫ<br />
Том 1<br />
Газовая хроматография<br />
Утверждено к печати<br />
Ученым советом Института геохимии<br />
и аналитической химии<br />
им. BM. Вернадского<br />
Российской академии наук<br />
Зав. редакцией И.А.<br />
Редактор Н.М.<br />
Художник E.А.<br />
Дизайн оформления E.Б.<br />
Степанова<br />
Александрова<br />
Шевейко<br />
Художественный редактор В.Ю.<br />
Технический редактор О.В.<br />
Руденко<br />
Яковлев<br />
Аредова<br />
Корректоры З.Д. Алексеева, Г.В. Дубовицкая<br />
ЛР № 020297 от 23.06.1997<br />
Подписано к печати 03.12.2002<br />
Формат 60 х 90 1/16. Гарнитура Тайме<br />
Печать офсетная<br />
Усл.печ.л. 27,0. Усл.кр.-отт. 27,5. Уч.-изд. л. 27,6<br />
Тип. зак. 3856<br />
Издательство "Наука"<br />
117997 ГСП-7, Москва В-485, Профсоюзная ул., 90<br />
E-mail: secret@naukaran.ru<br />
Internet: www.naukaran.ru<br />
Санкт-Петербургская типография "Наука"<br />
199034, Санкт-Петербург В-34, 9-я линия, 12<br />
I