РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ГЕОХИМИИ И АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИим. В. И. ВЕРНАДСКОГО

Б. А. Руденко Г. И. Руденко

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Том 1

ГАЗОВАЯ ЖИАГОГРАФИЯ

МОСКВА «НАУКА» 2003

УДК 543

ББК 24.4

Р83

Ответственный редактордоктор технических наук Б.К. Зуев

Рецензенты:доктор химических наук Б.Я. Спиваков,доктор химических наук С.С. Юфит

Руденко Б.А

Высокоэффективные хроматографические процессы: В 2 т. / Б.А. Руденко, Г.И. Руденко; Отв. ред. Б.К. Зуев. - М.: Наука, 2003. - ISBN 5-02-006479-3

Т. 1: Газовая хроматография. - 2003. - 425 с,: ил. - ISBN 5-02-006480-7

(в пер.)

В монографии впервые рассмотрены вопросы организации высокоэффективных хроматографических процессов на наполненных колонках большой длины, а также в системах циркуляционной хроматографии. Детально освещены технические приемы, используемые при изготовлении высокоэффективных колонок для капиллярной и жидкостной хроматографии.

Для инженеров-металлургов, научных работников, занятых вопросами улучшения кузнечных технологий, а также для студентов и аспирантов соответствующих ВУЗов.

ISBN 5-02-006479-3 (общ.) ISBN 5-02-006480-7 (т. 1)ISBN 5-02-006479-3 (общ.) ISBN 5-02-006480-7 (т. 1)© Российская академия наук, 2003 ©Издательство “Наука”, (художественное оформление), 2003

ISBN 5-02-006479-3 (общ.) ISBN 5-02-006480-7 (т. 1)

ISBN 5-02-006479-3 (общ.) ISBN 5-02-006480-7 (т. 1)

ПРЕДИСЛОВИЕ

В 2003 г. исполнится 100 лет после первого сообщения русского ботаника М.С. Цвета об открытии им нового способа анализа и разделения веществ с помощью динамического сорбционного процесса, названного им “хроматографическим анализом”. В опытах М.С. Цвета однородная смесь пигментов растений при пропускании в токе растворителя через слой порошкообразного адсорбента в стеклянной колонке разделялась на составные части, образующие цветные кольца на белом фоне адсорбента.

Сравнивая такое разделение цветных пигментов с разложением белого света на цветные лучи в стеклянной призме, автор назвал открытый им метод “цветописью”, по гречески “хроматографией.

За 100 лет существования и развития этот способ анализа и разделения смесей веществ достиг совершенства и приобрел широчайшую область применения.

В настоящее время объектами хроматографического разделения являются газы и легколетучие жидкости, высокомолекулярные компоненты нефти и ракетного топлива, соли металлов и разнообразные полимеры, биологические жидкости и пищевые продукты, лекарства и загрязнители окружающей природной среды, вещества, извлекаемые из метеоритов и атмосферы других планет. Таким образом, объектами хроматографического анализа и разделения являются, с одной стороны, постоянные газы и легкие углеводороды, включая изотопы и спиновые изомеры водорода, изотопы гелия и неона и другие благородные газы, а, с другой стороны, тяжелые фракции нефти и продуктов переработки каменного угля, разнообразные полимеры с молекулярной массой выше миллиона, разнообразные биологически активные вещества (аминокислоты, пептиды, стероидные гормоны, различные лекарства и т.п.), металлоорганические соединения, соли и комплексные соединения многих металлов и даже сами металлы в форме паров или растворов.

В предлагаемой вниманию читателя книге изложены сведения, касающиеся путей достижения максимальной эффективно-

сти разделения близких по свойствам веществ в хроматографических процессах. Рассмотрены достигнутые успехи и достижения и показаны перспективы дальнейшего развития хроматографического метода в направлении реализации его огромных возможностей для разделения веществ с крайне малыми различиями в составе и структуре молекул и в физических и химических свойствах.

Авторы книги стремились показать тот сложный путь, который привел хроматографический метод от первых опытов по хроматографии пигментов растений, выполненных русским ботаником М.С. Цветом, к современным высокоэффективным хроматографическим процессам.

Предполагается, что читатель книги уже знаком с основами хроматографической теории и техники и, возможно, уже имеет свой собственный, пусть небольшой, опыт работы с какой-либо из хроматографических систем. Это избавляет авторов от необходимости излагать начальные принципы метода и позволяет, опустив известные математические выкладки, сразу перейти к рассмотрению зависимостей, получаемых в хроматографическом опыте результатов, от тех факторов, которые определяют эффективность хроматографического процесса.

Обилие литературных источников по разным разделам хроматографии обусловило определенные трудности при отборе материала. Огромное большинство опубликованных научных статей и книг посвящено разнообразным приложениям этого метода, причем для решения прикладных задач используется стандартный набор хорошо апробированных на практике систем и приемов, далеко не всегда обеспечивающих наиболее высокую эффективность разделения. Эти многочисленные работы за малым исключением не рассматриваются в настоящей книге, которая поэтому не должна восприниматься как исчерпывающая монография по высокоэффективной хроматографии. В основном в книге цитируются работы, прямо направленные на достижение наиболее высокой эффективности в каждом конкретном варианте хроматографического процесса.

Естественная ограниченность объема книги не позволила осветить все известные разновидности хроматографии; рассмотрены наиболее распространенные в настоящее время варианты газовой хроматографии, жидкостной хроматографии высокого разрешения и ионной хроматографии. Вне поля зрения остались обширные области эксклюзионной и аффинной хроматографии.

Авторы надеются, что основные идеи о способах достижения наибольшей эффективности разделения, рассмотренные в насто-

ящей книге, вдумчивый читатель сможет применить и к тем разновидностям хроматографического метода, которые не нашли здесь своего полного отражения.

Авторы будут считать свою задачу выполненной, если хотя бы немногие из читателей будут увлечены изяществом хроматографического метода и широтой предоставляемых им возможностей в такой мере, что потратят часть своих усилий для его дальнейшего развития и совершенствования.

Все замечания, касающиеся содержания этой книги, будут приняты авторами с благодарностью.

Глава 1

ВВЕДЕНИЕ

ЧТО ТАКОЕ “ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ”?

Достаточно разрозненные направления развития техники и методики различных вариантов хроматографического метода, разработанные до настоящего времени с целью достижения максимально возможной эффективности разделения близких по свойствам веществ, имеют глубокую внутреннюю связь между собой. В этой общей проблеме можно выделить несколько различных аспектов.

Возможна ситуация, когда два или несколько веществ, имеющих очень близкие физические характеристики, заметно различаются по своему химическому строению и, следовательно, по своей способности к взаимодействию с другими веществами, то есть применительно к хроматографическому процессу с компонентами подвижной или неподвижной фаз. Так, например, изопрен и диэтиловый эфир или бензол и циклогексан различаются по температурам кипения всего лишь на малые доли градуса. Тем не менее, значительные различия в химическом строении этих веществ позволяют достаточно легко подобрать такие хроматографические системы, в которых один из компонентов названных выше пар веществ вступает в более сильные взаимодействия, чем другой компонент. При этом разделение таких пар веществ не требует особо высоких качеств разделяющей системы и может быть осуществлено с привлечением самых простых вариантов хроматографии. Так, указанные выше пары веществ успешно разделяются в условиях газовой хроматографии на наполненной колонке длиной порядка I м с неподвижной фазой, способной к донорно-акцепторным взаимодействиям (трикрезилфосфат, полиметилфенилсилоксан и др.).

С другой стороны, потребности науки и технологии выдвигают задачи разделения таких веществ, которые имеют крайне малые отличия в физических характеристиках и к тому же практически не

различаются по своему молекулярному строению и химическим свойствам. Таковы, например, структурные изомеры диметилбен- зола (орто-, мета- и пард-ксилолы), дихлорбензола или этилтолу- ола; очень мало различаются по своим химическим и физическим свойствам стереоизомеры непредельных углеводородов, имеющих в молекуле более восьми атомов углерода и несущих двойную связь в средней части молекулы; разветвленные предельные углеводороды с разным положением метильного заместителя (например, 2-ме- тилпентан и 2,3-диметилбутан); соединения, содержащие в молекуле разные одного и того же элемента (например, С6Н6 и C6H;D или |-СН4 и ‘-'СИД Во всех случаях, подобных перечисленным здесь, простое изменение состава компонентов хроматографической системы не позволяет добиться сколько-нибудь приемлемого разделения таких веществ. Для этого приходиться применять системы, способные обеспечить высокую разделяющую способность исключительно за счет минимальных различий в физических характеристиках соединений, зачастую различающихся, например, по температурам кипения на сотые и тысячные доли градуса. В таких случаях разделение возможно только за счет очень высокого качества хроматографической системы, т.е. за счет ее высокой эффективности.

В терминах теории разделения веществ при помощи ректификации и хроматографии эффективность разделения измеряется числом теоретических тарелок (т.т.), иначе числом фазовых переходов между неподвижной и подвижной фазами, которые претерпевают молекулы разделяемых веществ за время их пребывания в хроматографической системе. В первом из разобранных выше случаев для разделения достаточно всего лишь нескольких сотен или двух-трех тысяч теоретических тарелок, а во втором случае необходима эффективность хроматографической системы, измеряемая десятками и сотнями тысяч теоретических тарелок.

Такие хроматографические системы относятся к категории высокоэффективных, несмотря на значительные затраты материалов, времени и энергии, которые требуются для достижения высокой разделяющей способности.

С другой стороны, высокие показатели разделяющей способности могут быть достигнуты и в системах, не обладающих чрезмерно большой суммарной эффективностью. Ниже будет показано, что предельные локальные значения разделяющей способности, которые могут быть достигнуты в любой хроматографической системе ограничены наименьшими величинами геометрических параметров этой системы, т.е. размерами зерна сорбента, если хроматографическое разделение происходит на слое зернистого адсорбента или диаметром канала, если разделение происходит в полой колонке, например в капиллярной хроматографии.

Так высококачественная колонка для жидкостной хроматографии, заполненная сорбентом с величиной зерна 3-5 мкм, может обладать разделяющей способностью порядка 2000 т.т. на 1 см ее длины. При этом полная эффективность колонок длиной 3^4 см может составлять 10 тыс. т.т. и более, что соответствует эффективности капиллярных газохроматографических колонок длиной 10-15 м. Такие системы и процессы, происходящие в них, также являются высокоэффективными.

В настоящей книге будут рассматриваться системы двух типов: 1) обеспечивающие высокую общую эффективность процесса (более 20 тыс. т.т.) и позволяющие осуществлять разделение очень близких по свойствам веществ, в том числе изомеров и изотопнозамещенных соединений и 2) обеспечивающие эффективность, близкую к предельно достижимым теоретически параметрам для данной хроматографической системы, даже если ее полная эффективность измеряется всего лишь несколькими сотнями или тысячами теоретических тарелок. Этот последний случай реализуется в большинстве современных систем высокоэффективной жидкостной хроматографии.

В литературе по хроматографии довольно часто термин “высокоэффективный процесс” применяется также и для описания таких вариантов хроматографии, которые отличаются высокой производительностью по количеству разделяемых веществ в единицу времени или по числу выполняемых анализов. Такие системы не будут рассматриваться в данной книге, за исключением тех случаев, когда высокая производительность (например, по числу аналитических определений в одном хроматографическом опыте) непосредственно связана с высокой разделяющей способностью данной системы, как, например, в высокоэффективной тонкослойной хроматографии.

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХХРОМАТОГРАФИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

Во второй половине XX столетия одним из наиболее значительных явлений, определяющих методологию научного исследования во многих естественно-научных дисциплинах явилось широкое использование в химических и биохимических лабораториях хроматографических методов анализа и разделения веществ.

В 1950-х годах исследователи достигли значительных успехов в разработке методов, направленных на изучение структуры и

строения индивидуального вещества, например, спектрально-оп- тпческие методы, рентгено-структурный анализ и масс-спектрометрия. К этому же периоду относятся и первые успехи в применении методов ядерного магнитного резонанса, возможности которого в изучении структур молекул были оценены весьма рано. С другой стороны, арсенал классических методов анализа и разделения сложных смесей веществ даже с добавлением таких изощренных приемов, как прецизионная ректификация и низкотемпературная дистилляция, оказался недостаточным для решения сложнейших научных задач современной органической химии и смежных дисциплин.

Устранение дисгармонии между возможностями изучения индивидуального соединения и выделения чистого вещества из сложной смеси связано с развитием ряда хроматографических методов. В первую очередь это касается трех разновидностей метода хроматографии, ожидавших своего времени почти полвека после первых успешных опытов М.С. Цвета в 1901-1904 гг. [1]. Открытие и развитие метода бумажной хроматографии [2] создало прочную базу для анализа и разделения сложных смесей аминокислот, пептидов, липидов и нуклеотидов, что значительно расширило возможности биохимических исследований. В известной мере аналогичная техника тонкослойной хроматографии [3, 4] на закрепленных и незакрепленных слоях сорбентов явилась мощным ускорителем исследований в области синтетической органической химии и в ряде прикладных областей химии и химической технологии.

Истинно революционное значение имело открытие в 1952 г. Мартином и Джеймсом [5] метода газожидкостной хроматографии. Сочетание универсальности с высокой разделяющей способностью и высокой чувствительностью регистрации разделенных компонентов обеспечили этому методу чрезвычайно широкую область применения.

С начала 1960-х годов многие достижения органической химии, биохимии, химической технологии оказываются неразрывно связанными с этапами развития метода газовой хроматографии, такими как разработка жидких фаз высокой селективности [6, 7], чувствительных ионизационных детекторов [8-Ю], капиллярных колонок [И], техники препаративного разделения веществ [12, 13] и др. Развитие этих направлений позволило ставить и решать проблемы, которые ранее считались выходящими за пределы человеческих возможностей: разделение близких изомеров и соединений, содержащих разные изотопы одного и того же элемента; анализ смесей десятков и сотен компонентов; изучение состава биологически активных веществ, количество кото-

рых измерялось тысячными долями миллиграмма. В настоящее время можно уверенно говорить о том, что метод хроматографии оказал и продолжает оказывать мощное воздействие на развитие естествознания в целом. Это подтверждается, во-первых, с обилием научных исследований, выполненных с применением этого метода. Число таких исследований, опубликованных до 2000 г., близко к 180 000 и увеличивается примерно на 5000 публикаций ежегодно [14]. Второе обстоятельство, позволяющее ставить вопрос таким образом - это многообразие и широта областей применения хроматографии. В круг научных дисциплин, использующих этот метод, входят химия и биология, биохимия и медицина, геология и метеорология, лесоведение и агрохимия, пищевая промышленность и металлургия [15]. Хроматография принята на вооружение рядом отраслей наук, изучающих вопросы социального характера, в том числе такими, как криминалистика и судебная медицина. Столь же широко методы хроматографии используются при изучении важнейших вопросов взаимодействия человеческого общества с окружающей средой в масштабе всей планеты. Наконец, наиболее совершенные достижения хроматографического метода позволили ставить и решать такие фундаментальные естественнонаучные проблемы как изучение первичных допалеонтологи- ческих форм жизни [16], вопросы минералообразования [17], химизма вулканических процессов [18] или вопросы существования жизни на других небесных телах [19, 20]. Значение широкого внедрения хроматографии в лаборатории химико-технологического и медико-биологического профиля не исчерпывается только богатейшими аналитическими возможностями. С этим явлением связаны весьма значительные изменения в психологии многих естествоиспытателей. В частности, резкая интенсификация обмена информацией между отдельными естественно-научными дисциплинами ведет, в конечном счете, исследователей когда-то далеких областей науки к взаимному обогащению знаниями и идеями. Например, в синтетической органической химии следствием широкого проникновения газо-жидкостной хроматографии явилось принятие математико-статистического образа мышления, без которого невозможна объективная оценка точности и правильности получаемой количественной информации.

Успех применения того или иного экспериментального метода для решения конкретных научных проблем определяется соответствием между текущим уровнем развития метода и трудностью решаемых с его помощью задач. Значение совершенствования метода само по себе далеко не всегда находит немед-

ленное признание, однако с течением времени оно проявляется в таких результатах исследований, которые имеют непосредственное прямое практическое значение для прогресса науки и техники.

СВЯЗЬ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВРАЗДЕЛЯЕМЫХ ВЕЩЕСТВ

С ИХ ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

Возможность применения хроматографии для разделения той или иной группы соединений определяется тем, достижима ли требуемая эффективность разделения за время, допустимое по условиям эксперимента. Время t, за которое хроматографическая зона проходит колонку длиной L равно [21]

L Ц\ + к}

где V. - скорость движения хроматографической зоны по колонке; и - линейная скорость подвижной фазы; а к - коэффициент емкости (называемый также коэффициентом извлечения или отношением распределения), равный отношению количеств сорбата в неподвижной и в подвижной фазах. Коэффициент к связан с количеством неподвижной фазы в колонке соотношением

к = К-,(1-2)

Р

где т - масса неподвижной фазы в колонке, р - ее плотность, а К - термодинамический коэффициент распределения сорбата между подвижной фазой и сорбентом при температуре эксперимента.

В адсорбционной хроматографии величину к можно выразить и через коэффициент Генри (Г), связывающий адсорбированное на 1 г адсорбента количество сорбата с его равновесным давлением (или концентрацией)

а = Гр,.(1-3)

Основной параметр, определяющий скорость перемещения хроматографической полосы по колонке, - это коэффициент распределения К, равный отношению равновесных концентраций вещества в неподвижной и подвижной фазах. В хроматогра-

фической колонке в каждый момент времени движется лишь то количество вещества, которое находится в подвижной фазе. Это количество равно C^V^ где Ст - концентрация вещества в подвижной фазе, a Vm - объем этой подвижной фазы. В неподвижной фазе связано количество вещества, равное Cs,Vjr Отношение этих количеств называется коэффициентом извлечения или отношением распределения:

С VVс

с VVSv ’

где Sm и S$r-доли сечения колонки, занятые, соответственно, подвижной и неподвижной фазами. При этом

Р =(1-5)

Доля общего количества находящегося в колонке вещества, переносимая подвижной фазой в каждый момент времени равна

С V 1

ф =^=.(1-6)

С V + С V 1+tJ

Отсюда видно, что скорость движения хроматографической зоны по колонке в (1 + к) раз меньше, чем скорость движения подвижной фазы. Поэтому полный объем подвижной фазы, нужный для того, чтобы зона вещества прошла всю длину колонки - полный объем удерживания, равен

V^d + ^V,,-^,(1-7)

где Vm - объем подвижной фазы в колонке.

Таким образом, полный объем удерживания слагается из двух частей, одна из которых представляет собой объем подвижной фазы в хроматографической колонке, а вторая - объем подвижной фазы, который прямо связан с взаимодействием сорбата с неподвижной фазой. Эту величину называют исправленным объемом удерживания.

Следовательно, исправленный объем удерживания можно определить выражением:

Vr'=Vr-Vm = Vm = K—-V~KVH.(1-8)

Этот объем оказывается пропорциональным его коэффициенту распределения и количеству неподвижной фазы в колонке. Если рассчитать величину объема удерживания вещества в ко-

лонке, содержащей единицу объема неподвижной фазы, то полученная величина - удельный объемный объем удерживания - численно равна термодинамическому коэффициенту при данных условиях эксперимента [22]:

(1-9)(1-9)ио=^-^- = К.V

(1-9)

(1-9)

¥ 51

Несколько громоздкое наименование “удельный объемный объем удерживания”, тем не менее очень точно передает физический смысл этой величины. Более удобно (хотя и менее корректно) пользоваться величиной объема удерживания, отнесенного к единице массы неподвижной фазы в колонке. Эту величину называют удельным объемом удерживания:

иияяKVst _ KVst _ — _ —- — д / рKVst _ KVst _ — _ —- — д / р(1-Ю)(1-Ю)

и

и

я

я

KVst _ KVst _ — _ —- — д / р

KVst _ KVst _ — _ —- — д / р

(1-Ю)

(1-Ю)

Применяя эти соотношения к газовой хроматографии, необходимо учитывать сжимаемость газов. Точное рассмотрение, проведенное для этого случая Мартином и Джеймсом [23], приводит к тем же выводам, однако исправленный объем удерживания должен быть скорректирован на сжимаемость газа с помощью коэффициента j:

d-п)d-п)3 [СР;/Р<))2-П

d-п)

d-п)

2 [(Л/Ро)1-!]

где р, и р0 - величины давления на входе и выходе колонки, соответственно.

Из условия равенства значений химического потенциала вещества, распределяющегося между двумя фазами при равновесии можно получить связь коэффициента распределения с изменением свободной энергии при переходе 1 моля вещества через поверхность раздела фаз, &F, [24]:

(Ы2)(Ы2)ДГ,=-ЯЛп К,

(Ы2)

(Ы2)

где R - универсальная газовая постоянная. Так как

AF3 = ^Hs-TAss,(1-13)

то коэффициент распределения может быть выражен следующим образом:

м, д/л

К = е т е RT .(1-14)

Поэтому окончательно исправленный объем удерживания вещества в колонке равен

Д5, ЛЯ,и' = Се R е RT

(1-15)(1-15)где С - константа, учитывающая количество неподвижной фазы в колонке, температуру опыта, а в случае газовой хроматографии также и поправку на сжимаемость подвижной фазы.

(1-15)

(1-15)

Выражение (1-15) наглядно демонстрирует связь параметров удерживания вещества с его термодинамическими характеристиками сорбции применяемой неподвижной фазой. Так как эти характеристики процесса сорбции связаны с особенностями состава и строения вещества и подвижной и неподвижной фаз, то эти особенности должны обязательно проявляться в изменении объема удерживания. Именно это обстоятельство делает возможным разделение близких по физическим свойствам соединений, что и определяет широту и универсальность применения хроматографии. Это становится еще более ясным из следующих простых рас- суждений, в основном, применимых к процессам газовой хроматографии, но сохраняющим свой общий характер и для вариантов хроматографии с конденсированными подвижными фазами.

Согласно закону Рауля упругость пара растворенного вещества над раствором р, пропорциональна его мольной доле в растворе х, или, точнее, его активности в растворе:

Pi = P?x^i> (1-16)

где Р, - упругость пара чистого вещества при той же температуре, у, - его коэффициент активности. При малых концентрациях веществ, с которыми приходится встречаться в аналитической хроматографии, мольная доля х, равна:

(М7)(М7)где Niw - число молей растворенного вещества, a N; - число молей растворителя в единице объема.

(М7)

(М7)

ТогдаТогдаМ VPi - Pi^i p - PiМ VPi - Pi^i p - Pi(1-18)(1-18)где V}- объем сорбирующей фазы, a У^, - ее мольный объем.

Тогда

Тогда

М V

Pi - Pi^i p - Pi

М V

Pi - Pi^i p - Pi

(1-18)

(1-18)

NimRTP1 = ^— = cs,RT.NimRTP1 = ^— = cs,RT.(М9)(М9)Применяя к паровой фазе уравнение состояния идеального газа, можно получить:

NimRT

P1 = ^— = cs,RT.

NimRT

P1 = ^— = cs,RT.

(М9)

(М9)

Приравнивая выражения (1-18) и (1-19) и полагая, что в равновесии находятся равные объемы подвижной Vm и неподвижной V,, фаз, получим выражение для коэффициента распределения [25]:

K.,CiW RT^(m) Pi Yr^molK.,CiW RT^(m) Pi Yr^mol(1-20)(1-20)

K.,CiW RT^(m) Pi Yr^mol

K.,CiW RT^(m) Pi Yr^mol

(1-20)

(1-20)

(1-21)(1-21)Таким образом, коэффициент распределения, и объем удерживания обратно пропорциональны упругости пара разделяемых соединений. Упругость пара pf при температуре Т выражается как

(1-21)

(1-21)

р?=е R е «т

где AS,„ и &HCV - соответственно, энтропия и энтальпия испарения вещества, С - константа, учитывающая размерность. При температуре кипения Т-Ть упругость пара равна атмосферному давлению:

М„. йН„,

p = ^V^=l.С1"22)

(1-23)(1-23)Логарифмируя, получим

(1-23)

(1-23)

RTb R

AHev = TbAStv.(1-24)

Отсюда упругость пара при любой температуре можно выразить как

откудаоткудаУ,У,(1-26)(1-26)

откуда

откуда

У,

У,

(1-26)

(1-26)

Полученное уравнение демонстрирует связь между коэффициентом распределения, а следовательно и объемом удерживания и температурой кипения веществ (в газовой хроматографии)

Igt^£L^- + lnr+const.

RT(1-27)

Поэтому при постоянной температуре газохроматографической колонки можно считать, что

\gV; = AT„ + Bt(1-28)

где А и В - константы.

Это заключение хорошо согласуется с результатами многочисленных исследований, например [26-31]. Из изложенного следует, что величина и особенности строения молекул разделяемых веществ должны оказывать аналогичное влияние на величину объема удерживания и температуру кипения, связанные логарифмической зависимостью.

Важным соотношением, связывающим объемы удерживания двух веществ, является следующее из уравнения (1-20) равенство:

а =а =К(2) _ р"Т|Кш P2Y2К(2) _ р"Т|Кш P2Y2(1-29)(1-29)

а =

а =

К(2) _ р"Т|

Кш P2Y2

К(2) _ р"Т|

Кш P2Y2

(1-29)

(1-29)

Согласно этому соотношению в газовой хроматографии коэффициент разделения двух веществ а зависит от их упругостей пара при температуре опыта и от отношения их коэффициентов активности при растворении в применяемой неподвижной фазе. По-существу, это равенство отражает основное преимущество процесса газожидкостной хроматографии: не имея возможности изменить отношение упругостей пара разделяемых веществ, экспериментатор может в широких пределах варьировать различия в их коэффициентах активности, изменяя природу подвижной или неподвижной фаз в колонке. В жидкостной хроматографии в целом ситуация сложнее вследствие значительно более энергичных межмолекулярных взаимодействий разделяемых веществ с жидкой подвижной фазой, однако рассмотренные закономерности и общий подход к решению проблемы разделения двух или нескольких веществ сохраняют свою силу и в хроматографии с конденсированными подвижными фазами.

РАЗДЕЛЕНИЕ. ЭФФЕКТИВНОСТЬХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

В хроматографическом процессе качество разделения двух веществ, зарегистрированных в форме двух пиков на хроматограмме, можно охарактеризовать степенью разделения или разрешением R, равным отношению расстояния между максимумами пиков к их средней ширине:

R = 2R = 2^Ofl) + а0(2)^Ofl) + а0(2)(1'30)(1'30)

R = 2

R = 2

^Ofl) + а0(2)

^Ofl) + а0(2)

(1'30)

(1'30)

где V2 и V, - параметры удерживания двух рассматриваемых веществ, а а(кп и аш2) - выраженные в тех же единицах измерения

значения ширины соответствующих пиков, измеренной на уровне их основания [2, 33]. Степень разделения, равная 1, соответствует почти полному разделению двух пиков. Для анализа в большинстве случаев достаточна степень разделения 0,6-0,8. При прочих равных условиях степень разделения будет тем больше, чем значительнее различие в параметрах удерживания компонентов. Как указано выше, отношение параметров удерживания двух веществ, исправленных на собственный объем хроматографической системы Vni

а =а =К . уг - утК . уг - ут(1-31)(1-31)

а =

а =

К . уг - ут

К . уг - ут

(1-31)

(1-31)

называется коэффициентом разделения. В газовой хроматографии эту величину называют относительной летучестью, в жидкостной хроматографии - коэффициентом селективности или просто селективностью. При этом предполагается, что V^V^', отсюда а > 1 [32, 34].

Чем ближе к единице величина коэффициента разделения, тем более высокой разделяющей способностью должна обладать применяемая хроматографическая система для достижения заданной степени разделения. Степень разделения двух веществ зависит, с одной стороны, от различий в характере взаимодействия этих веществ с сорбентом, что отражается в величине а. С другой стороны, степень разделения зависит от качества применяемой хроматографической колонки и ряда других условий эксперимента. Возможности разделения данной пары веществ на колонке с данным сорбентом, вне зависимости от качества хроматографической колонки, можно количественно охарактеризовать с помощью величины, называемой внутренней степенью разделения, (Rirt), равной отношению разницы в параметрах разделения двух веществ к их средней величине:

(1-32)(1-32)R. = ^^" O,5(V2+Vj)

(1-32)

(1-32)

Если разделить числитель и знаменатель в этом выражении на V,, легко получить с учетом уравнения (1-30) выражение

*й=2*й=2а-1а+1а-1а+1(1-33)(1-33)

*й=2

*й=2

а-1

а+1

а-1

а+1

(1-33)

(1-33)

В своей основе хроматография является методом разделения, использующим различия веществ в характере взаимодей-

ствия с неподвижной фазой. Поэтому разделяющая способность хроматографической системы будет тем выше, чем больше будет число элементарных актов перехода молекул разделяемых соединений из подвижной фазы в неподвижную за время из пребывания в колонке. По аналогии с процессом ректификации, также базирующимся на использовании переходов молекул из паровой фазы в жидкую, мерой числа таких переходов в хроматографии считают величину, называемую числом теоретических тарелок (ЧТТ). Эта величина легко определяется расчетом из времени (или объема) удерживания вещества в колонке и ширины пика (измеренной в тех же единицах измерения):

(1-34)(1-34)

(1-34)

(1-34)

где aw - ширина хроматографического пика на середине его высоты [32]. Показано, что число теоретических тарелок, необходимое для разделения пары веществ с относительной летучестью а до степени разделения R, равно

откудаоткудаа + 1а-1а + 1а-1V^in /V^in /(1-35)(1-35)R = R.n-R = R.n-пп44(1-36)(1-36)

откуда

откуда

а + 1

а-1

а + 1

а-1

V^in /

V^in /

(1-35)

(1-35)

R = R.n-

R = R.n-

п

п

4

4

(1-36)

(1-36)

На основе этих соотношений можно определить число теоретических тарелок, требуемое для разделения двух веществ с известным коэффициентом селективности. Из формулы (1-35) видно, что величина п быстро растет при приближении а к единице. Так, если при прочих равных условиях для разделения двух веществ с а = 1,5 до Я = 1 требуется всего лишь 300 m.m., то при а = 1,1 необходима эффективность более 1700 т.т., при а = 1,05 - более 6700 т.т., а при а = 1,01 - уже более 40 тыс. т.т. Связь между относительной летучестью а, необходимым для разделения числом теоретических тарелок (ЧТТ) и концентрацией примеси одного из разделяемых веществ в другом при их разделении проанализирована Глюкауфом [32]. В более поздней работе [35] установлено, что величина nR зависит от коэффициента емкости колонки (отношения распределения) и быстро растет при уменьшении этого параметра. Это демонстрируют следующие простые преобразования.

Полагая, что при очень близко расположенных пиках двух веществ их параметры удерживания примерно равны, получим из

ф-лы (1-31) при ^-Vt-V

(1-37)

Переходя в числителе к исправленным на собственный объем хроматографической колонки параметрам удерживания и умножая числитель и знаменатель на а из ф-лы (1-31), получим

V - VУ2 1о _ jV - VУ2 1о _ j[(^2-^)-(^-^) = V'-V0[(^2-^)-(^-^) = V'-V0VaVaVvoVvoa-1a-1a (k + 1)a (k + 1)(1.38)(1.38)

V - V

У2 1о _ j

V - V

У2 1о _ j

[(^2-^)-(^-^) = V'-V0

[(^2-^)-(^-^) = V'-V0

Va

Va

Vvo

Vvo

a-1

a-1

a (k + 1)

a (k + 1)

(1.38)

(1.38)

Подставив это выражение в формулу (1-35) и выразив отсюда величину/?,,,, получим

(1-39)

Из этого выражения видно, что число теоретических тарелок, необходимое для разделения двух близких по свойствам веществ, быстро растет, когда величина к становится меньше единицы.

В меньшей степени зависит от характеристик колонки введенный Пернеллом [35] формальный параметр, названный эффективным числом теоретических тарелок (или фактором разделения Пернелла) ntf, рассчитываемый по формуле:

Сопоставляя выражения для п и л^ (формулы (1-34) и (1-40)), можно получить соотношение между ними.

(1-41)

Эффективность хроматографической колонки обычно растет при увеличении ее длины. В том случае, когда в двух колонках разной длины находится одинаковый сорбент, и качество их за-

полнения примерно одинаково, обычно более длинная колонка имеет более высокую эффективность. Однако, если качество заполнения этих колонок неодинаково, то более короткая колонка может оказаться более эффективной. Для того, чтобы сравнивать между собой разные хроматографические колонки, различающиеся по общей эффективности, удобно ввести понятие удельной эффективности, т.е. числа теоретических тарелок на единицу длины колонки

% = ^(1'42)

илип

Обратную величину, представляющую собой отрезок длины колонки, приходящийся на одну теоретическую (или эффективную) тарелку, называют высотой, эквивалентной теоретической тарелке, ВЭТТ, (или, соответственно, эффективной тарелке, ВЭЭТТ, и обозначают

Н = —(1-44)

п

иL

Н.=—.(1-45)

Эти две последние величины очень важны, т.к. прямо связаны со скоростью расширения хроматографических зон в колонке. Эта скорость, в свою очередь, определяется совокупностью параметров хроматографического эксперимента. Ясно, что л > во всех случаях, причем даже при к > 10 различие этих величин составляет 19%. Тем не менее, величина п^ значительно лучше, чем л, описывает действительную разделяющую способность колонки.

Удобным параметром для характеристики разделяющей способности хроматографической колонки является введенное почти одновременно в работах [36, 37] эффективное число пиков или число разделения. Эта величина показывает сколько хроматографических пиков может разместиться между пиками двух последовательных гомологов (обычно нормальных углеводородов). Понятно, что эта величина равна уменьшенной на единицу степени разделения этих гомологов.

340 = 72=^-1.(1-46)

На одной и той же хроматограмме величина ЭЧП может меняться в довольно широких пределах для разных гомологических рядов и для разных пар гомологов. Так, например, в книге Эттре

Рис. 1. (а) Зависимость степени внутреннего разделения Л,„ последовательных гомологов от эффективного числа пиков ЭЧП для колонок с разным числом теоретических тарелокI - м = 3 • 102; 2 - 10э; 3 - 3 ■ !03; 4 - 10»: 5 - 3 - 104; 6 - 10я; (б) сравнение необходимого числа теоретических тарелок при данном значении а при разделении двух веществ методами ректификации (/) и газовой хроматографии (2)Рис. 1. (а) Зависимость степени внутреннего разделения Л,„ последовательных гомологов от эффективного числа пиков ЭЧП для колонок с разным числом теоретических тарелокI - м = 3 • 102; 2 - 10э; 3 - 3 ■ !03; 4 - 10»: 5 - 3 - 104; 6 - 10я; (б) сравнение необходимого числа теоретических тарелок при данном значении а при разделении двух веществ методами ректификации (/) и газовой хроматографии (2)

Рис. 1. (а) Зависимость степени внутреннего разделения Л,„ последовательных гомологов от эффективного числа пиков ЭЧП для колонок с разным числом теоретических тарелок

I - м = 3 • 102; 2 - 10э; 3 - 3 ■ !03; 4 - 10»: 5 - 3 - 104; 6 - 10я; (б) сравнение необходимого числа теоретических тарелок при данном значении а при разделении двух веществ методами ректификации (/) и газовой хроматографии (2)

Рис. 1. (а) Зависимость степени внутреннего разделения Л,„ последовательных гомологов от эффективного числа пиков ЭЧП для колонок с разным числом теоретических тарелок

I - м = 3 • 102; 2 - 10э; 3 - 3 ■ !03; 4 - 10»: 5 - 3 - 104; 6 - 10я; (б) сравнение необходимого числа теоретических тарелок при данном значении а при разделении двух веществ методами ректификации (/) и газовой хроматографии (2)

для капиллярной колонки с полисилоксаном SF-96 приводятся следующие значения ЭЧП (эффективное число пиков) для нормальных углеводородов: Тетрадекан - тридекан = 17,6; Гексадекан - пентадекан = 24,9. Связь ЭЧП с Rin и с эффективностью колонки показана на рис. 1 [39]. В работе [40] при разделении гептана и октана на капиллярных колонках с эффективностью 160 тыс. т.т. была достигнута величина ЭЧП = 71.

1.5. НЕОБХОДИМОСТЬ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХРАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ В ХРОМАТОГРАФИИ

Многообразие подвижных и неподвижных фаз, нашедших применение в современной хроматографии, казалось бы, позволяет решить все задачи разделения веществ, возникающие в практике, путем подбора подходящей комбинации сорбента и подвижной фазы. Однако уже в первые годы развития хроматографии стало понятно, что одно лишь изменение природы неподвижной фазы или изменение растворяющей способности под-

вижной фазы не могут обеспечить успех разделения во всех случаях. Важно также обращать внимание и на качество работы хроматографической колонки.

В результате многочисленных исследований были выявлены два основных случая, когда изменение свойств неподвижной или подвижной фаз не могло обеспечить успех анализа, и на первый план выдвигались повышенные требования к качеству работы колонки.

Первый случай связан с разделением смеси компонентов, обладающих очень близкими физическими характеристиками и имеющими сходную химическую структуру. Такими веществами являются, например, близкие изомеры органических соединений или вещества, содержащие в молекулах разные изотопы одного и того же элемента.

Для двух соединений близкой химической природы, имеющих мало различающиеся температуры кипения, Ти и Ги, в первом приближении можно записать равенство:

ln(V2/V1) = ln(^/p2°), (1-47)

(1-48)(1-48)в котором И, и V2- объемы удерживания разделяемых веществ, a pf и р2 - их упругости пара при температуре колонки Т. Упругость пара можно выразить следующим образом:

(1-48)

(1-48)

р» = е л . / кт

где Д5(.„ и ДНС1) - энтропия и энтальпия испарения. При температуре кипения вещества Г = Ткк„ упругость пара равна атмосферному давлению, то есть

р”=е Rр”=е R•е RTb =1.•е RTb =1.(1-49)(1-49)

р”=е R

р”=е R

•е RTb =1.

•е RTb =1.

(1-49)

(1-49)

(1-50)(1-50)Логарифмируя, получим

(1-50)

(1-50)

RTb R

(1-51)(1-51)АНги = ТьА5еи.

(1-51)

(1-51)

Теперь упругость пара вещества при любой температуре можно выразить через его температуру кипения:

р“ = ехрр“ = ехр. R к. R к2Иг Л2Иг Л(1-52)(1-52)

р“ = ехр

р“ = ехр

. R к

. R к

2Иг Л

2Иг Л

(1-52)

(1-52)

Отсюда

„ N,RTК = ——expYj„ N,RTК = ——expYjH T ).H T ).(1-53)(1-53)

„ N,RT

К = ——exp

Yj

„ N,RT

К = ——exp

Yj

H T ).

H T ).

(1-53)

(1-53)

Логарифмируя выражение (1-52) и подставляя результат в уравнение (1-47), получим:

| п — = ^М. (ZzZk^ _ ^<о2 ( ^”^2(1-54)

V, R V Т J R V Т У

Полагая, что для близкокипящих веществ энтропия испарения примерно одна и та же, т.е. Д5, = Д52 = AS^,, получим

]п ^2 _ А5ги (ZkiZ-Zkl = ^ео^Ь( 1 "55)

V] R ( Т J RT

Отношение объемов удерживания по определению равно коэффициенту относительной летучести а. Для двух веществ с очень близкими свойствами коэффициент а очень близок к единице. При этом In а = (а - 1). Таким образом

In — = In а = а -1 = —-—-(1 -5о)

ЦRT

и далее

а = 1 + (Д5„/Я)(АТ;/П(1-57)

для органических веществ с температурой кипения 100-200°С энтропия испарения по правилу Трутона [24] составляет 25-30 энтропийных единиц (э.е.). Приняв в формуле (1-57) Д3№ =25 э.е., ДТК11|| = 1 °C, а Г = 450 К, что соответствует температуре колонки 177 °C, получим

а = 1,03.(1-58)

Для разделения двух веществ, имеющих такой коэффициент относительной летучести, до степени разделения R, равной единице, необходима эффективность колонки [33], равная

н = 4R, [(а +1) /(а -1)]2 = 18400т.т.(1 -59)

Таким образом, если учесть, что обычные хроматографические колонки в большинстве случаев имеют эффективность, не превышающую 4-5 тыс. т.т., то приведенное выше рассмотрение показывает, что разделение двух веществ сходной химической природы, различающихся по температуре кипения на один гра-

дус, определенно выходит за границы возможностей обычных наполненных колонок и требует более совершенных приемов. Между тем, такое или даже еще меньшее различие температур кипения характерно для многих изомерных пар и соединений, содержащих в молекуле один или несколько атомов разных изотопов одного и того же элемента.

С другой стороны, наличие в составе изучаемого объекта большого числа компонентов, например в нефтяных фракциях, искусственных жидких топливах, сложных реакционных смесях, продуктах каталитических и фотохимических реакций, природных смесях типа эфирных масел и т.п., порождает специфические трудности, которые принципиально не могут быть преодолены путем изменения характера неподвижной фазы. Такого рода примеры представляют собой второй случай, когда для полного разделения всех компонентов смеси становится необходимым применение более прогрессивных аналитических приемов. Возвращаясь к формуле (1-36),

к=^ (1-60)

вспомним, что Rin - это степень внутреннего разделения, которая зависит только от характера взаимодействия разделяемых веществ с неподвижной и подвижной фазами в хроматографическом процессе. Эта величина для большинства гомологов не превышает 0,6-0,8. Поэтому чтобы добиться сколько-нибудь значительной степени разделения членов любого гомологического ряда необходимо обеспечить достаточно большую величину второго сомножителя, то есть получить достаточно большое число теоретических тарелок, характеризующее эффективность применяемой колонки.

В предыдущем параграфе показано, что число пиков, входящих в состав многокомпонентной смеси веществ, которые могут разместиться на хроматограмме между пиками двух последовательных гомологов любого гомологического ряда, равно уменьшенной на единицу степени разделения этих гомологов. Харрелл и Перри [41] показали, что из-за неравномерного распределения пиков на хроматограмме эта величина, называемая эффективным числом пиков (ЭЧП) обычно достигает всего лишь I/2-1/3 своего теоретического значения.

С учетом сказанного выше о величине Rin, не превышающей для большинства гомологов 0,8, ясно, что разделение смеси веществ, содержащей более 10-15 компонентов между соседними гомологами, в достаточной для количественного расчета степени (R > 1/2), неизбежно требует применения хроматографических колонок с эффективностью более 10-20 тыс. т.т.

СВЯЗЬ ЭФФЕКТИВНОСТИ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГОРАЗДЕЛЕНИЯ С ПАРАМЕТРАМИ ЭКСПЕРИМЕНТА

В процессе поступательного движения по хроматографической колонке компактная вначале зона вещества (в идеальном случае описываемая 5-функцией Дирака!) постепенно расширяется. Чем менее интенсивно происходит процесс расширения, тем выше эффективность хроматографического процесса. Мерой скорости этого процесса является высота (Я), эквивалентная теоретической тарелке. Эта величина определяется рядом частных процессов, влияние которых детально рассмотрено в работах [25, 42—47].

Для хроматографических пиков, форма которых чаще всего близка к кривой Гаусса, наблюдается характерное для таких кривых соотношение: ширина пика у основания «0, т.е. длина отрезка нулевой линии хроматограммы, отсекаемого касательными к сторонам лика в точках перегиба, равна 4о, где ст - стандартное отклонение для данного пика, численно равное его ширине на уровне 0,882 его полной высоты. Отсюда по формулам (1-33) и (1-43) можно получить

л= ^ (1-61)

ии(1-62)(1-62)

и

и

(1-62)

(1-62)

Если величины ст и VR выразить в единицах длины колонки, то уравнение (1-62) легко преобразуется в

LL(1-63)

L

L

отсюда видно, что величина Н есть не что иное, как дисперсия хроматографического пика, отнесенная к единице длины колонки. Как известно, при любом случайном процессе результирующая дисперсия распределения является суммой вкладов отдельных факторов, определяющих полную ширину получающегося распределения. Это справедливо и для хроматографической зоны, расширяющейся в процессе движения по колонке под воздействием нескольких различных факторов, действующих независимо друг от друга. Основными из этих факторов являются неоднородность потока подвижной фазы, движущейся через зернистый слой сорбента, продольная диффузия вещества в подвижной и неподвижной фазах от центра хроматографической полосы к зо-

нам меньших концентраций вещества впереди и позади нее, сопротивление массопередаче в подвижной и неподвижной фазах. Последние два фактора, обусловливающие определенную нерав- новесность хроматографического процесса, часто оказывают наибольшее влияние.

В капиллярной хроматографии на расширение зон в колонке оказывает влияние параболический профиль скоростей в полой колонке, а для жидкостной хроматографии существенна также неравновесность процесса внутри застойных зон в частицах сорбента. Таким образом, можно записать:

Н = ^Н4 = Hink + HDm + Н^ + Нп + Hrm + Hret, (i-64)

где Hink - вклад в ВЭТТ, обусловленный неоднородностью потока в пористом зернистом слое сорбента, равный

(1-65)(1-65)Н k = l\d ,"ink *-,w,p*

(1-65)

(1-65)

где dp - диаметр частиц сорбента, л - коэффициент равномерности заполнения, близкий к единице для относительно крупнозернистого сорбента и быстро увеличивающийся при уменьшении размера частиц. В том случае, когда хроматографическая колонка представляет собой однородный канал со стенками, покрытыми сорбирующим слоем, как в капиллярной хроматографии, величина Hinh считается равной нулю, так как неоднородность потока, связанная с его возмущениями при течении через слой дискретных частиц, в этом случае отсутствует [45].

Напротив, в жидкостной хроматографии высокого разрешения выражение для Hinh становится более сложным:

^inh ""^inh ""2^ d^2^ d^(1-66)(1-66)

^inh ""

^inh ""

2^ d^

2^ d^

(1-66)

(1-66)

Анализ этого выражения показывает, что при больших скоростях подвижной фазы и больших диаметрах частиц сорбента dp оно трансформируется в выражение (1-65). С другой стороны, при малых размерах частиц сорбента и малых скоростях подвижной фазы этот вклад увеличивается пропорционально скорости и второй степени размера частиц.

(1-67)(1-67)И — —Е—~ D

(1-67)

(1-67)

Таким образом, в жидкостной хроматографии, в отличие от газовой, оказывается возможным получать очень малые величины ВЭТТ, даже меньшие, чем величина зерна применяемого сорбен-

та. Это позволяет получать в жидкостной хроматографии очень высокую эффективность разделения вплоть до нескольких тысяч теоретических тарелок на колонках длиной всего лишь несколько сантиметров [48, 49].

Следует отметить, что именно такое сочетание экспериментальных параметров характерно для первых хроматографических опытов М.С. Цвета [1]. В его экспериментах были использованы порошкообразные адсорбенты (мел, крахмал, инулин и др.) с диаметром зерна порядка 5-10 мкм, которые можно использовать при очень малых перепадах давления (порядка I04 Па) и, следовательно, при малых скоростях подвижных жидких фаз. При этом по современным расчетам достигалась эффективность до 5 тыс. т.т. на колонках с высотой слоя адсорбента около 5 см [49]. Таким образом, величина ВЭТТ в опытах М.С. Цвета составляла всего лишь 10'2 мм. Такой результат вполне мог бы сделать честь любому современному исследователю.

Величина HDm представляет собой вклад продольной молекулярной диффузии в подвижной фазе

Нп = 2^к(1-68)

Dm 4м ’

где D„, - коэффициент диффузии вещества в подвижной фазе, у- коэффициент, учитывающий затрудненность диффузии молекул в извилистых каналах внутри зерен сорбента и между ними. Эта величина для зернистых слоев сорбентов обычно равна 0,5-0,6 и приближается к единице для идеального полого капилляра. В знаменателе этого выражения стоит значение линейной скорости подвижной фазы и. Ясно, что чем выше будет скорость подвижной фазы, тем меньше времени проведет данное вещество в колонке и, соответственно, тем меньше будет вклад продольной молекулярной диффузии в величину общего расширения хроматографической зоны.

Вклад продольной молекулярной диффузии в неподвижной фазе, равный

Hd$ = M2L(1-69)

и

как и предыдущий параметр пропорционален коэффициенту диффузии вещества в неподвижной фазе и обратно пропорционален скорости потока подвижной фазы и, в то же время, зависит от коэффициента емкости колонки к. Это связано с тем, что молекулы разных веществ проводят в неподвижной фазе различное время, которое и определяется величиной коэффициента к.

В современных хроматографических системах обычно вклады продольной диффузии (1-68) и (1-69) относительно невелики. В газовой хроматографии пренебрежимо мал и не учитывается член HDst. Это касается и большинства вариантов жидкостной хроматографии.

Природа вклада НГ5„ учитывающего сопротивление массо- передаче в неподвижной фазе, может быть объяснена следующим образом. При наличии поступательного движения подвижной фазы в хроматографической колонке равновесное распределение концентраций сорбата между движущейся и неподвижной фазами, устанавливающееся в области, где в данный момент размещается этот сорбат, постоянно нарушается. В передней части зоны молекулы сорбата переносятся потоком подвижной фазы в область чистой неподвижной фазы, а в задней части зоны сорбент, содержащий сорбированные молекулы сорбата приходит в соприкосновение с чистой подвижной фазой. Таким образом, в передней части зоны имеет место переход молекул сорбата из подвижной фазы в неподвижную, а в задней части зоны, наоборот, молекулы сорбата переходят из неподвижной фазы в подвижную. Естественно, что и в центральной части зоны имеет место миграция молекул из неподвижной фазы в подвижную и обратно, однако там эти процессы в значительной степени уравновешиваются. Такие межфазные переходы молекул требуют некоторого времени, зависящего от скорости диффузии молекул в неподвижной фазе, толщины слоя сорбента, который должна преодолеть отдельная молекула, чтобы перейти в подвижную фазу, общего времени пребывания молекулы в неподвижной фазе. В результате этого часть молекул отстает в своем движении по колонке от центра масс хроматографической полосы, тогда как другие молекулы переносятся потоком подвижной фазы вперед, опережая основную массу вещества в хроматографической зоне. Это явление приводит к расширению зоны, которое может быть описано как дополнительный вклад, увеличивающий высоту, эквивалентную теоретической тарелке. В результате решения описывающей этот процесс системы дифференциальных уравнений получено следующее выражение для такого вклада [44-46]:

„ .8 к* к2 (1+A)2'd/*„ .8 к* к2 (1+A)2'd/*(1-70)(1-70)

„ .8 к

* к2 (1+A)2'd/*

„ .8 к

* к2 (1+A)2'd/*

(1-70)

(1-70)

где к - коэффициент емкости колонки, d$-толщина пленки неподвижной жидкой фазы (или длина пути диффузии в твердом

адсорбенте), Dst - коэффициент диффузии сорбата в неподвижной фазе, и - линейная скорость подвижной фазы. Такое немгновенное установление концентрационного равновесия между фазами в хроматографической колонке часто рассматривают как результат наличия определенного сопротивления массопереносу в неподвижной фазе, связанного с конечной скоростью диффузии в ней молекул сорбата. Входящие в формулу (1-70) величины определенным образом модифицируются, применительно к газоадсорбционному и жидкостному вариантам хроматографии. В частности, в газоадсорбционной хроматографии функцию отношения распределения выполняет коэффициент Генри, а для величины d^ в качестве грубого приближения можно использовать радиус частиц адсорбента, либо толщину адсорбционного слоя на стенках капилляра.

Коэффициент диффузии Ds, в адсорбционной хроматографии является величиной, несколько меньшей, чем коэффициент диффузии в подвижной фазе, т.к. миграция молекул в толщу зерна адсорбента происходит в извилистых порах, заполненных подвижной фазой. При этом скорость диффузии молекул сорбата в толщу адсорбента (скорость внутренней диффузии) оказывается много меньшей, чем скорость самих процессов адсорбции и десорбции. Особенно четко это проявляется в случае жидкостной хроматографии [48, 49]. В подвижной фазе имеют место неравновесные явления, аналогичные рассмотренным выше. Сопротивление массопередаче в подвижной фазе вносит вклад в величину ВЭТТ, равный

Нгт=^и,(1-71)

где dp - диаметр частиц сорбента, а о - константа, приближенно учитывающая вклады неравновесных явлений в каналах между частицами сорбента, внутри частиц в полостях, заполненных подвижной фазой, между потоками, движущимися в пористой среде с различными скоростями и т.п.

Для пористого сорбента в газожидкостной хроматографии эта величина приблизительно равна [50, 51]:

wsOjfl-^l(1-72)

\1 + к )

Поэтому вклад Нгт быстро уменьшается при уменьшении размеров зерен сорбента.

Для капиллярных колонок, как будет показано далее, величина этого вклада равна [52]:

•и•и(1-73)(1-73)н _([ + 6k + llk^

•и

•и

(1-73)

(1-73)

5т~ 24(1 + к)г ' 4D,

В этом выражении одновременно учитывается и вклад в величину В ЭТТ, связанный с параболическим распределением скоростей по диаметру полой капиллярной колонки.

Проведенное Каном [53] строгое математическое решение дифференциальных уравнений диффузии и материального баланса в элементе хроматографической колонки dx показало, что существенный вклад в ВЭТГ вносит сопротивление массопереда- че на поверхности раздела подвижной и неподвижной фаз. Этот

вклад равен:

(1-74)(1-74)// f = ^7— и,surf (1 + Ш,

(1-74)

(1-74)

где kd - константа скорости десорбции молекул сорбата с поверхности сорбента.

Наконец, влияние диффузии сорбата в застойные зоны в слое сорбента предложено описывать выражением

н.н.С^иС^и(1-75)(1-75)

н.

н.

С^и

С^и

(1-75)

(1-75)

где С,. -коэффициент, учитывающий константу сорбционного равновесия и геометрию сорбционного слоя [54].

Величина ВЭТГ, найденная суммированием величин, определяемых уравнениями (1-65)-(1-75), может быть представлена в упрощенном виде как сумма членов, независящих от скорости подвижной фазы (в первом приближении), членов пропорциональных скорости и членов, обратно пропорциональных ей:

(1-76)(1-76)п

(1-76)

(1-76)

Н = А + — + Си,и

где А, В и С - константы. В таком виде это выражение представляет собой известное уравнение Ван-Деемтера, справедливое и в газовой и в жидкостной хроматографии при не слишком малых скоростях подвижной фазы. Можно видеть, что выражение (1-76) - это уравнение гиперболы с минимумом при

%. =75/С (1-77)

Рис. 2. Кривые ван-Деемтера для гексана (а), гептана (б) и октана (в), полученные при 50 °C на колонках, заполненных хромосор- бом W AW-HMDS (60-80 меш) с полидиметилсилоксаном SF-96 в качестве неподвижной жидкой фазы (18,6% для равномерно нанесенной жидкой фазы; 5,8-31,6% для колонок с градиентом концентрации жидкой фазы)

о - обычная колонка с равномерным распределением неподвижной фазы; Д - колонка с положительным градиентом содержания неподвижной фазы; V - колонка с отрицательным градиентом содержания неподвижной фазы

аагаза-носителя, мл/мингаза-носителя, мл/мини с асимптотой Н = Си. В этом случае минимальная высота, эквивалентная теоретической тарелке, Нт,„, равна

а

а

газа-носителя, мл/мин

газа-носителя, мл/мин

Нп61=Аа-2>(ВС.(1-78)

Если в уравнении (1-76) вклад продольной молекулярной диффузии пренебрежимо мал, что, действительно имеет место при и > Чф|, то это уравнение можно представить в форме

Н = А+Си(1-79)

Экстраполируя это выражение к нулевому значению скорости подвижной фазы, можно получить величину Д:

Н0 = А = 2^р(1.80)

Показателем высокого качества заполнения хроматографической колонки, т.е. высокой степени упорядоченности слоя за-

полняющих ее частиц сорбента, является близость к единице параметра у. Следовательно, в хорошо приготовленной хроматографической колонке предельно достижимое значение ВЭТТ может быть близким к удвоенному диаметру заполняющих колонку частиц сорбента:

^iim=2^p-(1-81)

Типичные примеры кривых Ван-Деемтера, полученных экспериментально, приведены на рис. 2 [55].

При математическом анализе процессов высокоэффективной хроматографии удобно пользоваться приведенными параметрами:

приведенной высотой, эквивалентной теоретической тарелке

Н =(1-82)

и приведенной скоростью подвижной фазы

о = —.(1-83)

Mopt

Поэтому к высокоэффективным хроматографическим процессам можно отнести такие процессы, в которых ВЭТТ имеет величину, близкую к удвоенному размеру частиц сорбента (h = 2). В жидкостной хроматографии при использовании колонок, заполненных мелкими однородными по размерам частицами сорбента, заполняющими колонку без пустот и неоднородностей плотности заполнения, в соответствии с уравнением (1- 66) ВЭТТ может быть даже меньше, чем 2dp. Именно это обстоятельство дает основание относить современные варианты жидкостной хроматографии к высокоэффективным хроматографическим процессам. Это отражается и в таких названиях, как высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) или жидкостная хроматография высокого разрешения (ЖХВР). Именно такими процессами являются современные варианты нормально-фазовой и обращенно-фазовой молекулярной хроматографии, ион-парной и ионной хроматографии, в которых достигается удельная эффективность до 50 тыс. т.т./м при длине колонок 50-250 мм. Хотя полная эффективность разделения в этих процессах составляет обычно 2-10 тыс. т.т., именно максимально полное использование возможностей применяемого сорбента и всей хроматографической системы дает основание относить такие процессы к разряду высокоэффективных.

Таким образом, к числу высокоэффективных хроматографических процессов, рассматриваемых в этой книге, относятся, с одной стороны, процессы, которые обеспечивают полную эффективность разделения, превышающую 10-20 тыс. т.т., а, с другой стороны, процессы, в которых величина ВЭТТ близка к удвоенному диаметру зерна сорбента или меньше этой величины, т.е. согласно уравнению (1-82) Л < 2. На практике хроматографический процесс считают высокоэффективным уже тогда, когда величина ВЭТТ превышает диаметр зерна сорбента в три и даже в четыре раза!

Таким образом, можно рассматривать два пути увеличения эффективности хроматографического разделения, по крайней мере, в принципе. Один из этих путей, по-существу, экстенсивный, сводится к увеличению пути, проходимого хроматографической зоной по слою сорбента. И в газовой и жидкостной хроматографии это означает увеличение длины разделительных колонок.

Второй путь, который следует рассматривать как интенсивный, заключается в том, чтобы в возможно более полной степени удовлетворить требования к условиям хроматографического эксперимента, вытекающие из анализа, взаимосвязей между параметрами хроматографического опыта и его результатами. Если считать, что такая взаимосвязь удовлетворительно описывается уравнением Ван-Деемтера или каким-либо аналогичным выражением, можно заключить, что увеличения общей эффективности разделения в хроматографическом процессе, т.е. максимального уменьшения ВЭТТ, можно добиться, уменьшая те параметры этого уравнения, которые вносят наиболее существенный вклад в величину ВЭТТ. В практически приемлемых условиях - это первый и третий члены уравнения Ван-Деемтера.

Первый член, А = 2dhX, можно уменьшить, применяя сорбент с возможно малой величиной зерна и с минимальным разбросом его размеров. Опыт, накопленный в области газожидкостной хрома- тографии, показывает, что уменьшение размеров зерна ниже 0,05 мм при обычных приемах заполнения колонки и при использовании сорбентов с зернами неправильной формы не приводит к дальнейшему уменьшению величины А вследствие возрастания коэффициента X. Однако, как будет показано ниже, этот предел успешно преодолевается в жидкостной хроматографии высокого разрешения путем применения специально приготовленных сорбентов с зернами строго сферической формы при очень малом разбросе их размеров. Применение сорбентов с размером зерна 5, 3 и даже 2 мкм в сочетании с особыми приемами заполнения колонок позволило уверенно получать колонки с эффективностью

до 2500 т.т./см [56, 57]. При длине колонок для жидкостной хроматографии высокого разрешения 4-5 см их полная эффективность достигает 10-15 тыс. т.т., что, несомненно, следует рассматривать как весьма высокий результат. Именно такие результаты и дают основания для наименования этого варианта хроматографического метода высокоэффективной жидкостной хроматографией. В газовой хроматографии снижение размеров зерна сорбента пока не оказалось столь же плодотворным, т.к. до настоящего времени не удалось найти столь же действенные приемы заполнения колонок очень мелкозернистыми сорбентами, как в жидкостной хроматографии. Тем не менее, как будет показано далее, и в газовой хроматографии существенное уменьшение размеров зерна сорбентов позволило в ряде случаев добиваться весьма высокой полной эффективности при ограниченной длине колонок.

Ситуация, связанная с влиянием сопротивления массообмену на эффективность хроматографического разделения, более сложна. Увеличение скорости подвижной фазы приводит к нарушению равновесия между подвижной и неподвижной фазами. Феноменологически это проявляется в том, что зона компонента в неподвижной фазе как бы отстает от зоны в подвижной фазе. Это приводит к размыванию хроматографической зоны, характерному для неидеальной хроматографии. Такое размывание может быть описано как определенный вклад в эффективный коэффициент диффузии в колонке, описываемый третьим членом уравнения Ван-Деемтера, Си. Этот вклад пропорционален скорости подвижной фазы и зависит от величины пути диффузии в неподвижной фазе (толщины сорбционного слоя или толщины пленки неподвижной фазы dy и от сорбционного коэффициента данного вещества к. Стремление уменьшить эти величины привело к созданию пелликулярных (поверхностно-слойных) сорбентов в жидкостной хроматографии и к разработке сорбентов с очень малым содержанием неподвижной жидкой фазы в газожидкостной хроматографии.

В последующих главах рассмотрены разработанные в настоящее время и применяемые в исследовательских и контрольно-аналитических лабораториях хроматографические процессы такого типа и подробно обсуждены возможности применения таких процессов для высокоэффективной аналитической и препаративной хроматографии.

ЛИТЕРАТУРА

Цвет М.С. //Тр. Варшав. об-ва естествоиспытателей. Отд. биологии. 1903. Т. 14, разд. 6. С. 20.

Konsden R„ Gordon А.Н., Martin A.J.P. И Biochem. J. 1944, Vol. 38. P. 225. 3. Измайлов H.A., Шрайбер М.С. И Фармация. 1938. №З.С. 225.

Kirchner J.G, Thin-layer chromatography. N.Y.: Wiley. 1979. Pyc. nep.: Тонкослойная хроматография. M. Мир, 1981.

.James AT., Martin A.J.P. //Biochem. J. 1952. Vol. 50. P. 679.

Gil-Av E.. Herling J„ Shabtai J. //Chem. and Industry. 1957. P. 1483.

Langer S.H.,Zahh C„ Pantazoplos G. И Ibid. 1958. P. 1145.

Lovelock G.E. // Nature. 1958. Vol. 181. P. 1462.

McWilliam LG., Dewar R.A. // Ibid. P.760.

Landowne R.A., Lipsky S.R. //Anal. Chem. 1962. Vol. 34, N 7. P. 726-7 30.

Golay MJ.E. // Nature. 1957. Vol. 180. P. 435.

Evans D., TatlowJ. // J. Chem. Soc. 1955. P. 1184.

Dinelli D„ Poiezzo S., Taramasso M. //J. Chromatogr. 1962. Vol. 7. P. 447.

Technical Publication Bulletin, Evanston (Ill.): Preston Techn. Abstr. co, 1973. N 161.

Литвин Е.Ф., Литвинова Э.М. Газовая хроматография: Библиогр. указ. лит. Т. 1. М.: Изд-во АН СССР. 1962; Т. 2-6. М.: Наука. 1968-1983.

Calvin М. Chemical evolution. Oxford: Clarendon. 1970. Рус. пер.: Химическая эволюция. М.: Мир, 1972.

Kim A.J., Douglas L.J. // J. Chromatogr. Sci. 1973. Vol. 11. P. 615.

Savada J. // Quart. J. Seismol. 1970. Vol. 35. P. 55.

Brazhnikov V.V., Mukhin L.M. //Chromatogr. Rev. 1971. Vol. 15. P. 151.

Rushneck D.R., Diar A.V., Howarth DW. et al. // Rev. Sci. Instrum. 1978. Vol. 49, N 6. P. 817-834.

Keulemans A.I.M. Gas chromatography. N.Y.: Reinhold. 1958. Pyc. nep.; Хроматография газов. M.: Мир, 1959.

James AT., Martin A.J.P. // Analyst. 1952. Vol. 77. P. 915.

Фукс H.A. И Успехи химии. 1956. T. 25, № 7. С. 845-858.

Пригожин Н., Дефей П. Химическая термодинамика. Новосибирск: Наука. 1962.

Dal Nogare S., Juvet R.S. Gas-liquid chromatography: Theory and practice. N.Y.: L.: Interscience. 1962. Рус. nep.: Газожидкостная хроматография. Л.: Недра, 1966.

Littlewood А.В., Phillips C.S.J., Price D.T. // J. Chem. Soc. 1955. P. 1480.

Hoare M.R., Purnell J.H. // Research. 1955. Vol. 8. P.541.

Cartoni G.P., Liberti A J. Ц J. Chromatogr. 1960. Vol. 3. P. 121.

Purnell H. Gas chromatography. N.Y.: Wiley, 1962.

Giddings J.C. // J. Chromatogr. 1960. Vol. 4. P. 11.

Baumann F., Klaver R.F., Johnson J.S. // Gas chromatography / Ed. M. van Swaay. L.: Butterworths, 1962. P. 152.

GlueckaufE. //Trans. Faraday Soc. 1955. Vol. 51. P. 34.

Philipps C.S.G. Gas chromatography. L.: Butterworths, 1956.

Pure and Appl. Chem. 1964. Vol. 8. P. 553.

Eure L.S. Open tubular columns in gas chromatography. N.Y.: Plenum press, 1965.

Hurrell R.A., Perry S.G. H Nature. 1962. Vol. 196. P. 571.

Kaiser R. H Ztschr. anal. Chem. 1962. Bd. 189. S. 1.

Ettre L. Introduction to open tubular columns. Norwalk (Conn.): Perkin- Elmer, 1978.

Harris W.E.Habgood H.W. Programmed temperature gas chromatography. N.Y.: Wiley. 1966. Рус. пер.: Газовая хроматография с программированием температуры. М.: Мир, 1968.

Polgar A.G., Holst J.J., Groennings S. // Anal. Chern. 1962. Vol. 34, P. 1226.

Harrell R.A., Perry S.G. Ц Nature. 1962. Vol. 196. P. 571.

Lapidus L, Amundson N.R. Ц J. Phys. Chem. 1947. Vol. 56. P. 984.

KUnkenberg A., Sjenitzer F. // Vapor phase chromatography / Ed. D.H. Desty. N.Y.: Acad, press, 1957. P. 15.

Giddings J.C-, Eyring H. U J. Phys. Chem. 1955. Vol. 59. P. 416.

Giddings J.C. Dynamics of chromatography: Principles and theory. Pt 1. Gas chromatography. N.Y.: Dekker, 1965.

Van DeemterJJ.. Zuiderweg F.J., KUnkenberg A. // Chem. Eng. Sci. 1956. Vol. 5. P. 271.

Jones W.L. // Anal. Chem. 1961. Vol. 33. P. 829.

Yost R.W., Ettre L.S., Conlon R.D. Practical liquid chromatography: An introduction. Norwalk (Conn.): Perkin-Elmer, 1980.

Стыскин ЕЛ., ИциксонЛБ., Брауде Е.В. Практическая высокоэффективная жидкостная хроматография. М„ Химия, 1986.

KnoxJ.H., Saleem М. //J. Chromatogr. Sci. 1969. Vol. 7, N 10. P. 614-622.

Knox J Ji., Saleem M. //Ibid. Vol. 12, N 11. P. 745-751.

Goiay MJ.E. //Gas chromatography: Proc, of the 2nd Symp. in Amsterdam, 1958 / Ed. D.H. Desty. L: Butterworths. 1958. Рус. пер,: Газовая хроматография. M.: Изд. иностр, литер., 1961. С. 39-60.

Khan М.А. Ц Nature. 1960. Vol. 186. N 47. Р. 800-801.

Giddings J.C. И J. Chromatogr. 1961. Vol. 5, N 1. P. 46-60.

Руденко БА. //Журн. аналит. химии. 1981. Т. 36, № 11. С. 2180-2190.

Шатц В.Д., Сахартова О.В. Высокоэффективная жидкостная хроматография. Рига: Зинатне. 1988.

Беленький Б.Г., Ранкина Е.С., Мальцев В.Г. Капиллярная жидкостная хроматография. Л.: Наука, 1987.

Глава 2

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНАЯГАЗОВАЯ ХРОМАТОГРАФИЯНА НАПОЛНЕННЫХ КОЛОНКАХ

Описанные Мартином и Джеймсом в 1952 г. первые газохроматографические колонки [1-3] имели длину от 1 до 3 м. В качестве твердого носителя был использован целит 545 - диатомитовый материал с очень малой величиной зерна (0,05-0,1 мм). При заполнении колонок рекомендовалось дополнительно уплотнять слой сорбента деревянной трамбовкой по мере возрастания длины слоя сорбента. Авторы тогда еще не указывали эффективность применявшихся ими колонок, однако опубликованные в их первых статьях хроматограммы позволяют оценить эту эффективность в 2-3 тыс. т.т. Эти значения эффективности намного превосходили эффективность известных ранее хроматографических систем и поэтому производили впечатление весьма значительных.

Быстрое развитие газовой хроматографии в 1953-1958 гг. показало много примеров, когда большие усилия затрачивались для создания все более эффективных газохроматографических колонок. В решении этой задачи наметились два пути. Первый из них продолжал линию ранних публикаций Мартина и Джеймса - применение мелкозернистых сорбентов при очень плотном заполнении колонок. На этом пути рядом исследователей были достигнуты впечатляющие результаты [4-8]. В 1958 г. английская фирма Руе выпустила в продажу один из первых коммерчески доступных хроматографов, Руе Argon Chromatograph, снабженный набором прямых стеклянных колонок длиной 4 фута (1 м 20 см), плотно заполненных целитом 545, содержащим 15% популярных в то время неподвижных жидких фаз (апиезон L, динонилфталат, по- лиэтиленгликоль, полиэтиленгликольадипинат (Реоплекс 400), полидиметил силоксан Е-301) [9]. При относительно небольшой длине эти колонки имели высокую эффективность, достигавшую

6

Время, мин 190180170160150

Рис. 3. Хроматограмма смеси стереоизомерных убихинонов общей формулы (СН3)гС=[СНСН2СН2С(СНэ)=]пСНСН2СН2С(СН3)(ОСНз)2, полученная на хроматографе “Пай-Аргон” с колонкой дл. 1 м 20 см с Цели- том 545, содержащим 10% Апиезона L при 225 °C и объемной скорости газа-носителя (аргона) 60 мл/мин

Цифры на рисунке соответствуют следующим стереоизомерам: / - л = 1, цис-; 2 - п = 1, транс-; 3 - п = 2, цис-цис-; 4 - п = 2, транс-цис-; 5 - п = 2, цис-транс-; 6 - п = 2, транс-транс-; 7 - п = 3, цис-цис-цис-; 8 - п = 3, транс-цис-цис-; 9 - п = 3, цис-транс-цис-; 10 - и = 3, цис-цис-транс-; / / - п = 3, транс-транс-цис-; 12-п = 3, транс-цис-транс-; 13-п = 3, цис-транс- транс-; 14 — п = 3, транс-транс-транс-.

3000-3500 т.т. Интересно отметить, что при попытке опорожнить такую колонку и вновь заполнить ее тем же сорбентом, в колонку удавалось поместить не более 80% ранее заполнявшего ее материала даже при использовании достаточно энергичных вибраторов.

Высокая эффективность при плотном заполнении колонок сопровождалась значительным сопротивлением газовому потоку. Так, те же колонки хроматографа фирмы Руе требовали давление на входе около 1,5 кг/см2 при объемной скорости аргона всего лишь 20-30 мл/мин [10]. Типичный пример полученной на колонке с апиезоном L прибора Руе хроматограммы смеси изомеров сложных соединений, убихинонов, участвующих в процессе клеточного дыхания, приведен на рис. 3.

В дальнейшем приготовление высокоэффективных хроматографических колонок продолжало совершенствоваться в течение весьма длительного времени. В 1966 г. Майерс и Гиддингс [11] описали процесс приготовления высокоэффективных газоадсорбционных колонок длиной от 65,3 см до 2 м и диаметром 0,47 мм, заполненных мелкозернистым оксидом алюминия с ве-

личиной зерна 7-22 мкм. Расположенные вертикально прямые колонки из нержавеющей стали с миниатюрной воронкой для адсорбента на верхнем конце и с закрытым нижним концом сбрасывали с небольшой высоты, постепенно создавая плотный слой адсорбента подобно тому, как в органической химии заполняют капилляры исследуемым веществом для определения его температуры плавления. Такой процесс заполнения колонок был очень трудоемким и длительным и требовал несколько часов для заполнения колонки адсорбентом с величиной зерна около 13 мкм и несколько дней при использовании адсорбентов с меньшей величиной частиц. В некоторой степени такая трудоемкость компенсировалась возможностью одновременного заполнения нескольких колонок, связанных в пучок. Полученные таким образом колонки позволяли достичь очень высокую эффективность, но, в то же время, требовали очень больших перепадов давлений для обеспечения приемлемых скоростей газа-носителя. При выходном давлении, близком к 1 кг/см2, входное давление газа-носителя (гелия) в опытах Майерса и Гиддингса достигало 100-150 кг/см2.

Полученные в этих экспериментах графики зависимости высоты, эквивалентной теоретической тарелке, от давления на входе показывали четко выраженные минимумы в области 50-100 кг/см2, причем в области оптимумов значения ВЭТТ были равны 0,1-0,2 мм, то есть эффективность колонок, приготовленных описанным выше способом, составляла 2300-12140 т.т./м. Наилучшие результаты были получены при величине зерна адсорбента 13 мкм. Заполненная таким адсорбентом колонка длиной 2 м показала полную эффективность 24300 т.т.

Эффективность колонок, заполненных адсорбентом с величиной зерна 2,7 и 7 мкм была существенно ниже, хотя и составляла значительную величину, 2800 и 5000 т.т./м, соответственно. Такое различие объясняется значительно ббльшими трудностями равномерного заполнения колонок адсорбентами с частицами столь малого размера. С другой стороны, метровая колонка с адсорбентом, имеющим величину зерна 6 мкм имела эффективность 7800 т.т. (по н-бутану), причем такая эффективность достигалась при существенно меньших давлениях на входе (20-50 кг/см2) по сравнению с колонками, заполненными адсорбентами с меньшей величиной зерна адсорбента.

Работающие при высоких давлениях на входе колонки с мелкозернистым адсорбентом отличаются высоким быстродействием. Так, разделение смеси углеводородных газов, содержащих пропан, нормальный бутан, изо-бутан и смесь бутиленов, осуществляется на метровой колонке, заполненной оксидом алюминия с

величиной зерна 13 мкм при 25°С и входном давлении 172,6 кг/см2 менее, чем за 1 мин. При этом обеспечивается быстродействие до 100-400 т.т./сек и выше.

Авторы рассмотренной работы в своих экспериментах не делали попыток уменьшить отношение входного и выходного давлений путем увеличения последнего. Весьма возможно, что это могло бы привести к существенному дополнительному увеличению эффективности применявшихся ими колонок. Сопоставляя эти данные с более ранними результатами Картера [12] и Вируса [13], которые работали с колонками диаметром 0,25-1,0 мм, заполненными сорбентами с величиной зерна 10-100 мкм, Майерс и Гиддингс справедливо отмечают, что относительно низкая эффективность колонок в этих более ранних экспериментах (ВЭТТ 0,7-1,1 мм для колонки диаметром 0,5 мм) объясняется очень малыми давлениями на входе (0,1-2,0 кг/см2) и, следовательно, малыми скоростями подвижной фазы в колонках.

К сожалению, работы Майерса и Гиддингса не получили дальнейшего развития. Это связано с тем, что большинство газохроматографических приборов, выпускавшихся ранее и выпускающихся в настоящее время, рассчитаны на использование значительно меньших входных давлений (обычно до 10 кг/см2), чем требуется для работы с колонками, плотно заполненными сорбентами с частицами диаметром менее 0,05 мм.

Интересный вариант быстродействующих и достаточно эффективных колонок описан в работе Халаша и Герлаха [14], изучавших стеклянные колонки диаметром 0,4 мм, заполненные мелкозернистым оксидом кремния, аэросилом, с величиной зерна около 1 мкм. Отрезок стеклянной трубки с внутренним диаметром 2,2 мм и толщиной стенки 1,9 мм заполняли мелкими гранулами аэросила. Эти гранулы получали, высушивая гель, образующийся при смачивании порошка аэросила четыреххлористым углеродом. Остаток после испарения растворителя измельчали в ступке и отделяли наиболее мелкозернистую фракцию путем сепарации в наклоненной под углом 30° вибрирующей чашке. Заполненную полученным адсорбентом стеклянную трубку далее вытягивали в капилляр диаметром 0,4 мм [15-17]. Температура размягчения стекла была при этом около 560°С. Полученные таким образом колонки содержали около 7,5 мг аэросила на 1 м длины. При этом твердый адсорбент занимал всего лишь около 2,5% общего объема колонки (эта величина составляет 20-24% для обычных газохроматографических колонок, заполненных хромосорбом Р с величиной зерна 0,08-0,02 мм).

Такие колонки, которые было предложено называть “аэрогелевыми”, имеют проницаемость, равную (0,3-0,9) х 10-7 См2,

Рис. 4, Разделение углеводородов на аэрогелевой колонкеа - температура колонки 25°С; Ар 4 кг/см2: I - метан; 2 - пропан; 5 - пропилен; б - температура колонки 71 °C, Др 6 кг/см2: 1 - н-пентан; 2 - пентен-1; 7 - З-метилбутен-1; 4 - 2-метилбутен-2Рис. 4, Разделение углеводородов на аэрогелевой колонкеа - температура колонки 25°С; Ар 4 кг/см2: I - метан; 2 - пропан; 5 - пропилен; б - температура колонки 71 °C, Др 6 кг/см2: 1 - н-пентан; 2 - пентен-1; 7 - З-метилбутен-1; 4 - 2-метилбутен-2

Рис. 4, Разделение углеводородов на аэрогелевой колонке

а - температура колонки 25°С; Ар 4 кг/см2: I - метан; 2 - пропан; 5 - пропилен; б - температура колонки 71 °C, Др 6 кг/см2: 1 - н-пентан; 2 - пентен-1; 7 - З-метилбутен-1; 4 - 2-метилбутен-2

Рис. 4, Разделение углеводородов на аэрогелевой колонке

а - температура колонки 25°С; Ар 4 кг/см2: I - метан; 2 - пропан; 5 - пропилен; б - температура колонки 71 °C, Др 6 кг/см2: 1 - н-пентан; 2 - пентен-1; 7 - З-метилбутен-1; 4 - 2-метилбутен-2

что примерно в 33 раза меньше, чем проницаемость колонок малого диаметра с величиной частиц сорбента 0,1^0,15 мм. Достигнутая с их помощью эффективность соответствует высоте, эквивалентной теоретической тарелке, равной примерно 0,4 мм, так что колонки длиной всего 20 см имели эффективность порядка 11000 т.т. При этом число эффективных теоретических тарелок было равно 400, а длительность процесса хроматографического разделения метана, пропана и пропилена при 25°С не превышала 2 сек (рис. 4а). На аэрогелевой колонке длиной 1,6 м при 71°С за 25 сек достигается разделение пентана, пентена-1 и трех изомерных метилбутенов (рис. 46). Применение в качестве газа-носителя водорода, увлажненного пропусканием над десятипроцентным раствором сульфата натрия, позволило разделить на такой колонке смесь 14 углеводородов от метана до гексана всего за 60 сек при 27°С (рис. 5). Перепад давления на колонке при этом составлял 4 кг/см2.

Рис. 5. Хроматограмма смеси углеводородов С,-Сй, полученная на аэрогелевой колонке дл. 1,6 м при 27°С и Др 4 кг/см1

/ - метан; 2 — этан; 3 - пропан; 4 - пропилен; 5 - изобутан; б - н-бутан; 7 - бутен-1; 8 - изо-пентан; 9 - н-пентан: 10 - пентен-1; / / - 3-метилбутен-1; /2 - 2-метилбутен-1; 13 - 2-метилбу- тен-2; 14 - н-гексан

Другой подход к проблеме повышения эффективности газохроматографического разделения заключался в простом увеличении длины применяемых колонок. Были описаны многочисленные примеры применения колонок длиной 3-6 м и более [18-21]. По-видимому, наиболее впечатляющими в этот период являются работы Скотта [22-25]. В этих работах было установлено, что при удлинении колонки ее эффективность, выраженная числом теоретических тарелок, растет пропорционально ее длине примерно до 15 м. При дальнейшем увеличении длины колонки рост ее эффективности замедляется вследствие того, что отношение давлений газа-носителя на входе и выходе колонки становится очень большим, так что значительная часть колонки начинает работать при слишком больших скоростях подвижной фазы, намного превышающих оптимальные значения. При атмосферном давлении на выходе колонки это отношение составляло 6,7-8,2.

Для устранения этого нежелательного эффекта на выходе колонки устанавливали пневмосопротивления — тонкие капилляры или диафрагмы с очень малыми отверстиями, позволяющие поддерживать на выходе колонки давление до нескольких атмосфер. При соответствующем увеличении давления на входе в колонку отношение входного и выходного давлений оказалось возможным поддерживать на уровне, не выше 1,2.

Для уменьшения влияния сопротивления массообмену при высоких скоростях газа-носителя Скотт применял абсорбенты с малым содержанием неподвижной жидкой фазы (апиезон £), равным 5% и даже 2,5% от массы твердого носителя. В качестве твердого носителя использовали дробленый огнеупорный кирпич С-22 фирмы Джонс-Мэнвилл (США) с размерами зерна 100-120 меш (0,1-0,12 мм). Для снижения влияния коэффициента неоднородности заполнения колонки (первого члена уравнения Ван-Деемтера) Скотт предложил уменьшать диаметр колонки до 2,2 мм. В экспериментах Скотта колонки длиной 15-18 м собирали путем последовательного соединения секций, каждая из которых имела длину 3 м. Газом-носителем служил аргон, а детектирование разделенных фракций осуществляли с помощью пламенно-температурного [25] или аргонового ионизационного [26] детекторов. При величине пробы порядка 15 мкг в опытах Скотта была достигнута эффективность 12-18 тыс. т.т. для гептана и более 30 тыс. т.т. для о-ксилола. При температуре 78°С время удерживания о-ксилола составляло 240 мин, что, конечно, неприемлемо с точки зрения современных требований к организации химического анализа. При использовании более высоких скоростей газа-носителя [22] удавалось снизить вдвое время удерживания

^-ксилола (до 120 мин) за счет снижения эффективности разделения до 12 тыс. т.т. Однако и такое время удерживания следует считать чрезмерно длительным.

Наполненные колонки большой длины изучали также Майерс и Гиддингс [27]. Эти авторы использовали колонки, изготовленные из медных трубок диаметром 2,4 мм и заполненные Хро- мосорбом Р с величиной зерна 50-60 меш, содержащим 5% силиконовой жидкости DC-200. Отрезки трубки длиной 50 футов (15 м) заполняли указанным выше абсорбентом и соединяли между собой до достижения желаемой длины. При этом соединительные детали также заполняли тем же абсорбентом. Таким образом были приготовлены и изучены колонки длиной 195, 900 и 1200 м. При заполнении колонок 15-ти метровые секции подвешивали вертикально и заполняли абсорбентом в потоке газа, подаваемого через сосуд с абсорбентом при значительном давлении. Перед окончанием процесса заполнения сорбент подвергали уплотнению с помощью вибрационной дрели, которую прижимали к колонке и продвигали вверх и вниз по всей длине секции. Заполнение секции колонки заканчивали, когда скорость газа на ее выходе становилась постоянной при входном давлении 60 кг/см2. Далее для экспериментов использовали только те секции, в которых скорость газа отличалась не более, чем на 10% от среднего значения. После соединения секций полученные колонки скручивали в спираль и устанавливали в термостат хроматографа. В рабочих условиях давление газа-носителя на входе в колонку измеряли с точностью ±0,25%. Все эксперименты с такими колонками выполняли при 25°С. В качестве тестовых веществ использовали метан и бутан. Рабочие характеристики приготовленных колонок были изучены в диапазоне входных давлений от 10-15 до 140 кг/см2. При этом было показано, что ВЭТТ изменяется с давлением в согласии с теорией и описываются кривыми с четко выраженным минимумом при давлении около 25-30 кг/см2 для колонок длиной 195 м и 35—40 кг/см2 для колонок большей длины. Однако наклон этих кривых с ростом давления уменьшается, что не соответствует классической теории. При давлениях, близких к оптимальным, наблюдаемые значения ВЭТТ по метану составляли для всех трех изученных колонок примерно 0,7-1,0 мм, так что полное число теоретических тарелок составляло 350, 880 и 1250 тыс. т.т. для колонок длиной 195,900 и 1200 м, соответственно. Для бутана найденные величины полной эффективности колонок были несколько меньше и составляли, соответственно 250, 750 и 1000 тыс. т.т.

Хотя в этих экспериментах Майерса и Гиддингса и были достигнуты весьма высокие величины полного числа теоретических

тарелок, превышающие 1 млн т.т., удельная эффективность колонок не превышала одной тысячи т.т. на 1 м длины. Число эффективных, пёрнелловских т.т., рассчитанных с учетом времени удерживания несорбирующегося компонента, также было заметно меньше. В настоящей публикации не приведены хроматограммы или данные об объемах удерживания использованных в работе веществ в изученных экспериментальных условиях. Однако в первом приближении можно считать, что время удерживания метана было примерно в 8-10 раз меньше, чем время удерживания бутана. Считая, что время удерживания метана близко к времени удерживания несорбирующегося компонента, можно подсчитать, что для бутана число эффективных т.т. п' примерно равно 0,8 от полного числа т.т. данной колонки. В этом случае удельная эффективность всех рассматриваемых колонок по бутану не превысит одной тысячи т.т. на 1 м длины колонки, что вряд ли можно считать высокой эффективностью. В то же время полная эффективность всей хроматографической системы была достаточно высока, хотя она достигалась исключительно за счет экстенсивных факторов - значительного увеличения длины колонки и высоких давлений на ее входе.

Весьма интересны полученные Майерсом и Гиддингсом в этих экспериментах зависимости скорости генерирования теоретических тарелок. Полученные данные показывают, что сопряженная теория Гиддингса [28] лучше описывает процесс газовой хроматографии при больших перепадах давления в колонках, чем классическая теория. Приведенные в статье Майерса и Гиддингса результаты указывают, что для всех исследованных колонок характерен рост скорости генерации теоретических тарелок с давлением на входе до 25-35 кг/см2, после чего эта скорость остается постоянной вплоть до наибольших изученных давлений, равных 140-150 кг/см2. Такое постоянство скорости генерации т.т. при больших давлениях соответствует предсказаниям сопряженной теории Гиддингса, что следует из приводимого ниже рассмотрения.

Рассмотрим два предельных случая:

д/р0-И

Согласно классической теории, высота, эквивалентная теоретической тарелке, равна

Н = А + Bl u + CRu' + Ctu(2-1)

По сопряженной теории Гиддингса:

(2-2)(2-2)н = х -!+£

(2-2)

(2-2)

7 l/A^l/С, и

Промежуточная область требует введения поправочных коэф-

фициентов на падение давления в колонке:

(2-3)(2-3)(2-4)(2-4)Н = [А + Bi и + CgH0]^ + С^

(2-3)

(2-3)

(2-4)

(2-4)

л 1 / А„ +1 / Сяп и

где

9 (Р4 - 1)(Р2-1).(Р2~1)

^1 = 8(Р3_1)2; 7 = 3/2^-^, где Р = А/Ро (2-5)

При больших перепадах давления удобнее записать зависимость Н от отношения давлений Р (а не от w), или от входного давления р,:

-dp idz =(2-6)

Здесь -dp/dz - градиент давления (знак минус показывает падение давления от начала колонки к ее концу); ф- безразмерный структурный параметр, обычно близкий к 300 для наполненных колонок и к 16 - для капиллярных; Т) - вязкость газа; dp - размер частиц сорбента.

Интегрирование в предположении идеального газа (р,ие = Р^р» = ри, откуда V = р^р) дает:

«0 - Ро«0 - Ро(Р2-1М240qL(Р2-1М240qL(2-9)(2-9)

«0 - Ро

«0 - Ро

(Р2-1М240qL

(Р2-1М240qL

(2-9)

(2-9)

Piр 0

(2-1)

или

22 Афцр^Ь

Ра Ро ~,2

dP

(2-8)

При р^ = poDO уравнение (2-8) можно перегруппировать

При Pi > pv,При Pi > pv,

При Pi > pv,

При Pi > pv,

u»=po^P' ^=9/8; >=з/24(2*i0)

4^£poP

Параметры С, и S содержат коэффициенты диффузии вещества в газе-носителе D, = О'ей / р. С учетом этого можно переписать уравнения (2-3) и (2-4) следующим образом:

Н = 9/%Н = 9/%1В'"—'+ l/4n + l/(Cgp0H0) роМ()1В'"—'+ l/4n + l/(Cgp0H0) роМ()+ 3/2^Pi+ 3/2^Pi(2-12)(2-12)

Н = 9/%

Н = 9/%

1В'

"—'+ l/4n + l/(Cgp0H0) роМ()

1В'

"—'+ l/4n + l/(Cgp0H0) роМ()

+ 3/2^Pi

+ 3/2^Pi

(2-12)

(2-12)

// = 9/8

A + Jl^c'xp^ +3/2^(2-11)

РоиоJPi

Здесь С’ и В’ - не зависят от давления и равны С и В при единичном давлении.

Подставляя уравнение (2-10) для о0, получаем:

Н = 9/8Н = 9/8д । Дф^ЬВ' । d^dpPi 40Г|£д । Дф^ЬВ' । d^dpPi 40Г|£+ 3/8+ 3/8dpCiPi№dpCiPi№(2-13)(2-13)Н = 9/8Н = 9/8„1ДфгуЬВ'4с;„р"„1ДфгуЬВ'4с;„р"+ 3/8-^+ 3/8-^(2-14)(2-14)

Н = 9/8

Н = 9/8

д । Дф^ЬВ' । d^dpPi 40Г|£

д । Дф^ЬВ' । d^dpPi 40Г|£

+ 3/8

+ 3/8

dpCiPi№

dpCiPi№

(2-13)

(2-13)

Н = 9/8

Н = 9/8

„1ДфгуЬВ'

4с;„р"

„1ДфгуЬВ'

4с;„р"

+ 3/8-^

+ 3/8-^

(2-14)

(2-14)

Полагая b = 9/ЦдфцЬВ'/d^, С' = 9/8(^Cg/4^r|L) и С/ = = 3/8(^2c;/nl), можно переписать выражения (2-13) и (2-14) следующим образом:

(2-15)(2-15)H = 9/8A+-^ + c;P^ + qpi

(2-15)

(2-15)

Pi

Г1

й-^й-^89 Л нcLpf89 Л нcLpfь_р"ь_р"(2-16)(2-16)

й-^

й-^

89 Л н

cLpf

89 Л н

cLpf

ь_р"

ь_р"

(2-16)

(2-16)

висимостейвисимостейЭти уравнения представляют собой целевые выражения для за

висимостей

висимостей

(2-17)(2-17)^ = /(А)

(2-17)

(2-17)

Число теоретических тарелок в колонке /V = ЦК, время удерживания г = UR^u, а скорость генерации теоретических тарелок

(2-18)(2-18)N _ R$u

(2-18)

(2-18)

ления, даетления, даетПри р, > р0 подстановка с0 из уравнения (2-10) и j из его опреде

ления, дает

ления, дает

(2-19)(2-19)рД

(2-19)

(2-19)

<М

Подставляя (2-19) и (2-15) в (2-18), получим для классической теории

.2

N/t = ^-=--т—^(2-20)

Н9/SA + ~ + C'p* + С&

Pi

при Pi 00 и W/г —> limW/r

.2

Nh = 3!SRfр-(2-21)

ФЛ§Ь р;

Аналогично, из уравнений (2-17) и (2-18) получим для сопряженной теории:

- = -R, dp , * KPi) (2-22)

Именно такое постоянство этой величины наблюдали Майерс и Гиддингс при давлениях на входе своих колонок, превышавших 25-35 кг/см2.

Таким образом, хотя в целом хроматографический процесс несомненно должен рассматриваться как высокоэффективный, его эффективность достигалась дорогой ценой за счет применения длинных колонок с большим сопротивлением газовому потоку. В целом, большие сложности в процессе приготовления колонок, вводе проб и обеспечении достаточной скорости течения

газа-носителя не дали возможности для широкого распространения данной хроматографической техники.

Тем не менее, ряд таких систем с адсорбентами типа оксида алюминия, мелкозернистого силикагеля и графитированной сажи были использованы для осуществления тонких разделений, требующих высокой общей эффективности хроматографической системы, в том числе для разделения изотопов. Примерами служат работы Моригучи и Такеи [29-31}, в которых описано применение мелкозернистого оксида алюминия, модифицированного хлоридами, фторидами и фосфатами различных металлов, для разделения перманентных газов и легких углеводородов. Методом газо-адсорбционной хроматографии на колонках длиной 3-10 м и более с мелкозернистым оксидом алюминия авторы работ [33, 34] разделяли изотопы и спиновые изомеры водорода. При этом разделение орто- и пдря-изомеров водорода и дейтерия достигалось всего за 1-2 мин. В работе [34] спиновые изомеры водорода и дейтерия разделяли на колонке длиной 4 м и диаметром 4 мм с оксидом алюминия, активированным прогревом при 475 °C в токе азота в течение 48 ч. При температуре -196°С хорошее разделение орто- и пара-изомеров водорода осуществляли в потоке дейтерия, а разделение изомеров дейтерия проводили в токе водорода. Авторы этих работ отмечают, что стоимость чистого дейтерия, используемого в качестве газа-носителя, лишь ненамного превышает стоимость смеси гелия и неона, применявшейся ранее для разделения спиновых изомеров водорода [35-37}.

Состав смеси изотопов 3Не и 4Не определяли методом газовой хроматографии в работе [38].

Предпринимались попытки достичь высокой эффективности хроматографического разделения путем применения колонок с мелкозернистым силикагелем с диаметром частиц около 10 мкм [39] или силикагеля с привитыми на его поверхности углеводородными радикалами СКН17 или С1ЯН37 [40, 41]. Для этой цели применяли силикагель марки Сферосил ХОСОО5 (фирма Рон Пуленк, Франция) с величиной частиц 100-200 мкм и со средним диаметром пор 280 нм. Было показано, что эффективность колонок с таким адсорбентом оказывается в два-три раза выше, чем при использовании такого же силикагеля, дезактивированного триметил -(диметиламино)сил аном.

Высокой эффективности достигли авторы работ [42—47] при использовании колонок длиной 2 м и более, заполненных графитированной сажей с частицами (точнее, агрегатами частиц) размером 60-80 меш (0,18-0,25 мм), модифицированной 5% полимера гексафторпропиленэпоксида. Разделение многокомпоне нт-

ных смесей фторсодержащих эфиров, иодфторал канов и многочисленных фреонов выполняли при температурах от -20 до + 100°С. Были получены весьма точные данные по параметрам удерживания изученных фторсодержащих соединений.

Колонки длиной до 12 м, заполненные абсорбентами с большим содержанием неподвижных жидких фаз, использовал Кастелло [48] для анализа продуктов, образующихся при радиолизе различных соединений у-лучами кобальта-60 или при воздействии радиочастотной плазмы. Объектами исследования служили предельные углеводороды С,-С9. этилен, пропилен, ацетилен и этиламин с добавками иода или диоксида серы. Благодаря достигавшейся в этих экспериментах высокой эффективности разделения оказалось возможным определять примеси образующихся продуктов реакции в концентрациях менее 3 х ICH-IO ^ мол. % . Помимо классических абсорбентов для газожидкостной хроматографии (полидиметил сил оксан SF-96, диметилсульфоксид, сквалан, трикрезилфосфат, полиэтиленгликоль Карбовакс 20М, FFAP, нанесенные на хромосорб W или хромосорб Р), в этой работе использовали адсорбционные колонки с оксидом алюминия и с пористыми полимерными сорбентами (порапаки разных марок, хромосорб 102 и хромосорб 105). Хорошие результаты при разделении низкомолекулярных продуктов были получены на комбинированной колонке, составленной из трех секций, заполненных порапаком R (1,5 м), порапаком S (3 м) и порапаком Q (2 м), так что общая длина колонки достигала 6,5 м.

Довольно высокую эффективность при анализе смесей углеводородов до С^о и ряда фреонов получили авторы работы [49], использовавшие колонки с высокофторированными полимерами вида -(O(CF3)CFCF2)„-(OCF2)m- в качестве неподвижных жидких фаз, нанесенными на Хромосорб Р с величиной зерна 100-120 меш при температурах от 45 до 255 °C.

Колонки достаточно большой длины были изучены в работах Крамерса, Рийкса и Бочека [50] и позже в работах Школиной и Березкина [51-53]. В этих работах были исследованы колонки диаметром 0,6-1,2 мм и длиной до 20 м и более, заполненные мелкозернистыми сорбентами хромосорб Р, хромосорб W, хромосорб G, целит 545, хроматон N с нанесенными на них неполярными и полярными неподвижными фазами. Кроме того, колонки заполняли адсорбентами (силикагель, порапаки различных марок, полисорб-2 и др.). Эффективность таких колонок вблизи оптимальной скорости газа-носителя составляла 2500-3000 т.т. на I м длины, а в отдельных случаях даже 4000 т.т./м.

Хорошая воспроизводимость приготовления столь длинных колонок была достигнута благодаря применению ультразвука

или специальных механических вибраторов [52]. Порошкообразные сорбенты подавали в колонку из сосуда, через который одновременно пропускали поток газа-носителя. Для улучшения качества заполнения и уменьшения продолжительности этого процесса периодически давление газа на входе в колонку резко увеличивали. Чтобы облегчить и ускорить процесс заполнения колонок легко электризующимися полимерными сорбентами, вспомогательный газ, подаваемый через сосуд с сорбентом, насыщали парами полярных жидкостей (этилового спирта и др.).

Полная эффективность приготовленных таким образом колонок достигала 24-30 тыс. т.т. при длине 8,5 м (по н-гексану). Величина оптимальной линейной скорости газа-носителя в таких колонках составляла примерно 2-2,5 см/сек, что требовало избыточного давления на входе в колонку 4-7 кг/см2. Авторы приведенных работ не принимали каких-либо мер для уменьшения отношений входного и выходного давлений, так что на выходе колонок давление газа-носителя было близко к атмосферному.

Практическая ценность колонок малого диаметра и относительно большой длины была продемонстрирована большим числом примеров разделения многокомпонентных смесей, в частности, фракций нефтяного топлива, продуктов пиролиза и гидроформинга углеводородов, а также определением малых примесей в различных продуктах, в том числе в широко используемом в хирургии анестезирующем препарате фторотане (1,1,1-трифтор-2-хлор-2-бромэтане). Большое количество данных, накопленных при изучении этих высокоэффективных колонок было обобщено в обстоятельных обзорах [55, 56].

Успешным оказалось применение колонок большой длины и небольшого диаметра в препаративной газожидкостной хроматографии. Так, например, используя выполненные из стекла колонки диаметром 9 мм и длиной до 75 м, Верцеле [57-62] осуществил препаративное разделение ряда углеводородов, душистых веществ, галогеносодержащих соединений, кетонов, сложных эфиров и спиртов и показал, что при работе с колонками большой длины объем вводимой пробы может быть увеличен пропорционально длине колонки [57]. Так, если на колонке диаметром 9 мм и длиной 6 м можно разделить с приемлемой эффективностью пробы веществ объемом 0,1 мл, то при увеличении длины колонки до 60 м можно разделять с той же эффективностью пробы объемом до 1 мл. В экспериментах Верцеле для снижения пневматического сопротивления колонок и сокращения времени удерживания разделяемых веществ применяли сорбенты с большой величиной зерна (10-20 меш) при небольшом содержании неподвижной жидкой фазы (до 10%). Хотя при длине колонки

равной 3-5 м ее эффективность была относительно невелика, при увеличении ее длины до 60-80 м наблюдали пропорциональное повышение эффективности. Кроме того, колонки большой длины (более 10 м), заполненные крупнозернистыми сорбентами, обладали более приемлемыми нагрузочными характеристиками по сравнению с обычными колонками длиной 3-5 м. При увеличении вводимой пробы в 5-10 раз на колонках Верцеле наблюдалось всего лишь двух-трехкратное снижение эффективности, что и обеспечивало успех при осуществлении ряда тонких препаративных разделений очень близких по свойствам органических веществ [58-62].

Эти результаты нашли свое подтверждение и дальнейшее развитие в работах автора настоящей книги (совместно с В.А. Кузов- киным) [63-66], в которых была показана возможность значительного увеличения эффективности препаративного газохроматографического разделения веществ при использовании колонок длиной 10-50 м, заполненных крупнозернистыми сорбентами хромо- сорб Р или приготовленным в лаборатории диатомитовым твердым носителем на основе огнеупорного кирпича с величиной зерна 10-20 меш, содержащими 10% неподвижных жидких фаз различной полярности (полидиметил- и полиметилфенилсилоксаны, полиэтиленгликоли разной молекулярной массы, полинеопентил- гликольсукцинат, полиэтиленгликольадипинат и др.).

При этом оказалось возможным осуществить препаративное разделение весьма близких по свойствам цис- и транс-изомеров метилового эфира гераниевой кислоты и ее дейтерированных аналогов [66], изомерных фарнезиловых кислот, изомерных цис- и транс-хроменов, весьма близких по свойствам 1-фенилноркарана, фенилметилциклогексана и фенилциклогексана, изомерных галогенофенилмасляных и галогенофенилвалериановых кислот и ряда других соединений с близкими свойствами. Величина вводимых проб в этих экспериментах составляла 0,3-1,5 мл.

Интересным примером препаративного газохроматографического разделения продуктов биосинтеза может служить выделение дитерпена каурена из смеси продуктов, образующихся при ферментации питательных сред под действием грибка—продуцента гиббереллинов Fusarium moniliforme, Sheld.

Даже при разделении проб с массой 2-3 г при использовании колонок диаметром 8-10 мм и длиной 20-50 м в этих экспериментах достигалась эффективность 2-3 тыс. т.т.

Интересной особенностью этих работ является то, что для снижения потерь при выделении разделенных фракций были использованы легко конденсирующиеся газы (СО2, SO2, фреоны) и пары низкокипящих жидкостей, в том числе пары воды.

Рис. 6. Препаративное разделение смеси аминов на колонке диаметром 10 мм и длиной 15 м с Хроматоном /V (40-60 меш), содержащим 12% полисилоксана СКТВ-1 при 160°С в потоке водяного пара. Объем пробы 0,4 мл

/ - диизопропиламин; 2 - изопропил-н-пропкламин; 3 - анилин; 4 - «-толуидин; 5 - диметиланилин;б - этиланилин; 7 - диэтиланилин

Полная конденсация покидающей колонку подвижной фазы позволяла обеспечить количественное улавливание разделенных фракций, полностью исключить потери разделенных компонентов при конденсации и, кроме того, позволяла отказаться от использования сжатых газов в баллонах. Последнее обстоятельство имеет достаточно важное значение, так как расход газов в препаративной хроматографии весьма велик. Пример хроматограммы, полученной при препаративном разделении смеси аминов на колонке длиной 15 м и внутренним диаметром 10 мм с использованием водяного пара в качестве подвижной фазы приведен на рис. 6.

Резюмируя данные, рассмотренные в этой главе, можно заключить, что применение наполненных колонок большой длины (более 5-7 м) для обеспечения высокой эффективности газохроматографического разделения в целом не получило значительного развития. По-видимому, единственное направление, где можно считать оправданным применение такого варианта хроматографической техники - это препаративное разделение трудноразделяемых и высокоценных компонентов в лабораторном или полупромышленном масштабе, когда высокая стоимость выделенных продуктов оправдывает усилия, затраченные на их получение в чистом виде. Примерами могут служить некоторые фармацевтические препараты и продукты биотехнологических процессов. Для достижения высокой и сверхвысокой эффективности при

разделении близких по свойствам веществ в процессе развития хроматографического метода были найдены значительно более изящные и действенные решения. Одним из таких решений стал метод капиллярной хроматографии, рассмотренный в последующих главах.

ЛИТЕРАТУРА

James А.Т., Martin AJ.P. И Biochem. J. 1952. Vol. 50, N 5. P. 679- 690.

James A.T., Martin AJ.P., Smith G.H. // Ibid. Vol. 52, № 2. P. 238-242.

James A.T., Martin AJ.P., Smith G.H. // Analyst. 1952. Vol. 77, N 921. P. 915-932.

Sullivan L.J., Lotz J.R., Willingham C.B. // Anal. Chern. 1956. Vol. 28, N 4. P. 495^198.

SiemonsM.C., Snyder L.R. H Ibid. 1958. Vo). 30, N 1. P. 32-35.

James A.T. // J. Chromatogr. 1959. Vol. 2, N 5. P. 552-561.

Ciala R. H Anal. Assoc, brasil. quim. 1959. Vol. 18. P. 191-200.

Ettre L.S. // J. Chromatogr. 1960. Vol. 4, N 2. P. 166-169.

We/.v G. // Fette und Seifen. 1960. Bd. 62, N 11, P. 1004.

Янотовский М.Ц., Руденко Б.А. // Жури, аналит. химии. 1965. Т. 20, Ne 5. С. 843-849.

Myers M.N., Giddings J.С. И Anal. Chem. 1966. Vol. 38, N 2. P. 294- 297.

Carter H.V. //Nature. 1963. Vol. 197. P. 684.

Virus N. //J. Chromatogr. 1963. Vol, 12. P. 406.

Halasz L, Gerlach H.-O. И Anal. Chem. 1966. Vol. 38, N 2. P. 281- 286.

Desty D.H., Haresnape J.N., Whyman B.H.F. // Ibid. 1960. Vol. 302, N 1. P. 302.

Halasz L, Heine E JI Ibid. 1965. Vol. 37, N 1.P.495.

Halasz L„ Heine E. // Nature. 1962. Vol. 194. P. 971.

Serpinet J. //Chem. Anal. 1959. Vol. 41, N 4. P. 146-151.

Lipsky S.R., Landowne R.A. // Ann. N.Y. Acad. Sci. 1959. Vol. 72, N 13. P. 66-67.

Van der Wiel A. // Nature. 1960. Vol. 187, N 4732. P. 142-143.

Petrowitz HJ., Nerdel F„ Ohlo^G. H J. Chromatogr. 1960. Vol. 3, N 4. P. 351-358.

Scott R.P.W., Cheshire J.D. // Nature. 1957. Vol. 180. P. 702.

Scott R.P.W. // Vapour phase chromatography / Ed. D.H. Desty. L.: Butterworths, 1957. P. 131.

Scott R.P.W. // Gas chromatography / Ed. D.H. Desty. L: Butterworths, 1958. P. 171. Рус. nep.: Газовая хроматография. M.: Изд. иностр, литер., 1961. С. 178-187.

Scott R.P.W. Ц Vapour phase chromatography / Ed. D.H. Desty. L.: Butterworths, 1957. P. 131-145. Рус. пер. в кн.: Успехи и достижения газовой хроматографии / Ред. Н.М. Туркельтауб и др. М.: Гостоитех- издат, 1961. С. 149-159.

Lovellok J.E. H Nature. 1958, Vol. 182, N 4650. P. 1663-1664.

T7. Myers M.N., Giddings J.C. // Anal. Chern. 1965. Vol. 37, N 12. P. 1453-1457.

2%. Giddings J.C JI Ibid. 1963. Vol. 35,N7. P. 1338.

Naiio K., Takei S. // Chromatographia. 1973. Vol. 6. P. 339.

Moriguchi S., Takei S. // Ibid. 1974. Vol. 7. P. 49.

Moriguchi S., Naito K.Takei S. // J. Chromatogr. 1977. Vol. 131, N 1. P. 19-29.

Isomura S., Kaetsu H. И Rep. Inst. Phys. Chem. Res. 1981. Vol. 57, N 1. P. 1-6.

Dericbourg J. // J. Chromatogr. 1976. Vol. 123, N 2. P. 405-410.

Stevenson R„ Stevenson D. //Ibid. 1982. Vol. 234. P. 231-233.

Van Urk A, Linder L. I I J. Appl. Radial. Isotopes. 1972, Vol. 23. P. 239.

Quicken K.A., Le Roy D.J. // J. Chem. Phys. 1977. Vol. 67. P. 1042.

Schultz W.R., Le Roy DJ. Ц Canad. J. Chem. 1964. Vol. 42. P. 2480.

Марков А.А., Медведев В.И., Соколов Г.А., Чернов Н.Н. Анализ состава смеси 3Не-4Не методом газовой хроматографии. Л.; Ленингр. ин-т ядер, физики. 1979. 11 с.

Dandeneau R., Hawkers S. // Chromatographia. 1980. Vol. 13, N 11. P. 686-692.

Gaget C„ Morel D., Serpinet J. // J. Chromatogr. 1982. Vol. 244, N 3. P. 209-216.

MorelD„ Serpinet J. //Ibid, 1980. Vol. 200. P. 95.

Bruno T.J., Wertz K.H. // LC-GC. 1986. Vol. 4. P. 574-580.

Bruno TJ„ Caciari M. И J. Chromatogr. A. 1994. Vol. 672. P. 149- 158.

Bruno T.J., Caciari M. // Ibid. Vol. 679. P. 123-132.

Bruno T.J., Caciari M. // Ibid. Vol. 686. P. 245-251.

Bruno T.J., Caciari M. H Ibid. 1995. Vol. 708. P. 293-302.

Bruno T.J., Caciari M. //Ibid. 1996. Vol. 723. P. 325-335.

Castello G. И J. Chromatogr. 1982. Vol. 244, N 2. P. 271-280.

DhanesarS.C., Poole C.F.// Ibid. 1983. Vol. 267. P. 388-394.

Cramers C.A., Rijks J., Bocek P. // Ibid. 1972. Vol. 65. P. 29.

Березкин В. Г., Ill колина JI.A. И Жури, аналит. химии. 1973. Т. 28, №9. С. 1838.

Berezkin V.G., Shkolina L.A. И J. Chromatogr. 1974. Vol. 99. P. 111.

Березкин В.Г., Школина Л.А., Липавский В.Н. и др. Ц Завод, лаб. 1974. Т. 40. №6. С. 650.

Березкин В.Г., Illколина Л .А., Липавский В.Н., Сердан А.А. И Успехи химии. 1974. Т. 47, № 10. С. 1875-1903.

Otvos 1. И Kem. kosl. 1976. Vol. 46, N 1/2. Р. 135-162.

Berezkin V.G., Shkolina L.A., Lipavskii V.N. et al. Ц J. Chromatogr. Chromatogr. Rev. 1977. Vol. 141, N 2. P. 197-240.

Verzele M., Bouche J., De Bruyne A., Verstappe M. Ц J. Chromatogr. 1965. Vol. 18. P. 253.

Verzele M., Verstappe M. // Ibid. Vol. 19. N 3. P. 504-511.

Verzele M. //Ibid. 1964. Vol. 15. P. 482.

Verzele M. // Ibid. 1962. Vol. 9, N 1. P. 116-117.

61 Verzele M. // Ibid. 1965. N 6. P. 186-188.

Verzele M. // Ibid. 1964. Vol. 13, N 2. P. 377-381.

Руденко Б.А., Кузовкин В.А., Пауков B.H., Кучеров В.Ф. И Изв. АН СССР. Сер. хим. 1971. №7. С. 1384.

Кузовкин В,А., Руденко Б.А., Кучеров В.Ф. // Там же. 1973. № 8. С. 1910.

Кузовкин В.А., Руденко Б.А., Кучеров В.Ф. //Там же. № 10. С. 2354.

Мустафаева М.Т., Смит В.А., Семеновский А.В. и др. //Там же. № 2. С. 334.

Глава 3

КАПИЛЛЯРНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕКАПИЛЛЯРНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ

Наиболее действенным и универсальным способом достижения высокой эффективности хроматографического разделения оказался метод капиллярной хроматографии. В этом варианте хроматографической техники используются колонки, представляющие собой полые трубки длиной от 5 м до 500 м и более с диаметром от 0,05 до 1,5 мм, стенки которых покрыты тонкой пленкой неподвижной жидкой фазы либо тонким слоем мелкозернистого адсорбента или твердого носителя, содержащего до 20% неподвижной жидкой фазы.

Вывод о том, что с помощью капиллярных колонок можно получить эффективность порядка IO4—106 т.т. следовал из теоретического анализа процессов в обычных наполненных колонках, проведенного Гол еем в 1955-1956 гг. [1, 2]. По аналогии движения хроматографической полосы в колонке и распространения электрического сигнала вдоль линии с распределенными параметрами индуктивности, емкости и активного сопротивления Голей описал процесс хроматографии с помощью дифференциального уравнения, известного в электротехнике под названием “телеграфного” [1]. Позже Голей [2] провел детальный анализ взаимосвязи достигаемой в хроматографической колонке эффективности с такими характеристиками процесса, как перепад давлений на ее входе и выходе и время разделения. В результате Голей обосновал введение обобщенного показателя эффективности хроматографического процесса (вывод выражения для показателя эффективности рассмотрен ниже). Этот показатель, имеющий размерность вязкости, теоретически может достигать наименьшего значения 0,1 пуаз, что характеризует наибольшую возможную эффективность хроматографической колонки. При ис-

0123 Время, мин0123 Время, минрис. 7. Одна из первых капиллярных хроматограмм, полученная на колонке дл. 1 м с Апиезоном М, при температуре 20 °C

0123 Время, мин

0123 Время, мин

Рис. 8. Хроматограмма смеси углеводородов С5~С6, полученная на капиллярной колонке с малым значением отношения распределения кРис. 8. Хроматограмма смеси углеводородов С5~С6, полученная на капиллярной колонке с малым значением отношения распределения к/ - ацетон; 2 - циклогексан; 3 — толуол

Рис. 8. Хроматограмма смеси углеводородов С5~С6, полученная на капиллярной колонке с малым значением отношения распределения к

Рис. 8. Хроматограмма смеси углеводородов С5~С6, полученная на капиллярной колонке с малым значением отношения распределения к

пользовании наполненных колонок обычного типа предельно достижимое значение показателя эффективности было не менее 1-10 пуаз, т.е. превышало теоретический предел в 10-100 раз и более. Предполагая, что такое расхождение связано с тем, что реальные колонки представляют собой сложную систему беспорядочно расположенных извилистых капиллярных ходов, тогда как теоретической моделью служил пучок прямых капилляров с гладкими стенками, Голей пришел к выводу, что реализовать потенциальную высокую эффективность газохроматографического процесса возможно только при использовании колонки в форме гладкой трубки с достаточно большим отношением длины к диаметру.

Это заключение было впервые сформулировано в отчете Го- лея фирме Перкин-Эльмер (США), датированном 15 ноября 1956 г. Тогда же были проведены и первые эксперименты с капиллярными колонками. Используя пластмассовые колонки длиной 91,5 м и внутренним диаметром 0,25 мм со стенками, смоченными полиэтиленгликолем. Голей получил эффективность около 12 тыс. т.т. Вот как сам автор рассказывает об этом:

“...Из любопытства я установил ее (пластмассовую трубку, прим, авт.) вместо колонки с целитом, просто для того, чтобы посмотреть, какими будут пики воздуха. Я был приятно удивлен, обнаружив, что эти воздушные пики имели ширину, правильно

предсказанную той же приближенной теорией. Тогда возникла идея о том, что если пики воздуха имеют правильные значения ширины, когда колонка представляет собой простой отрезок ничем не заполненной трубки, то почему бы не покрыть внутренние стенки трубки каким-либо удерживающим веществом и не использовать ее в качестве распределительной колонки” [3].

Первое сообщение о достигнутых результатах Голей сделал на I симпозиуме американского приборостроительного общества по газовой хроматографии в Ист-Лансинге (США) в июне 1957 г. [4], а в 1958 г. на II Международном симпозиуме по газовой хроматографии в Амстердаме были опубликованы его теоретические исследования, включающие математическое описание процесса разделения в капиллярной колонке с гладкими стенками, покрытыми пленкой жидкой фазы [5]. Одновременно первые экспериментальные результаты опубликовали Дийкстра и де-Гоэй [6]. Однако эффективность разделения в работе этих авторов была относительно невелика, что объяснялось значительной величиной пробы, обусловленной низкой чувствительностью применявшегося детектора.

Этот факт подтверждает важную особенность капилярных колонок: увеличение пробы резко снижает эффективность разделения. Связано это с тем, что гладкие стенки узкой капиллярной трубки способны удержать лишь крайне незначительное количество жидкой фазы. Поэтому успеху капиллярной хроматографии способствовало появление пламенно-ионизационного детектора, разработанного Мак-Вильямом и Дьюаром в 1957 г. [7]. Этот тип детектирующего устройства, ставший ныне одним из наиболее распространенных, обладал очень высокой чувствительностью [8] и, кроме того, имел крайне малый собственный объем, чем выгодно отличался от уже известных в то время высокочувствительных детектирующих систем - аргонового ионизационного детектора Лавлока [9] и вакуумного ионизационного детектора Райса и Брайса [10]. Начиная с 1958 г., развитие капиллярной хроматографии теснейшим образом связано с возможностями пламенно-ионизационного детектора.

Предсказываемая теорией высокая эффективность капиллярных колонок, выраженная числом теоретических тарелок по предложенной Глюкауфом [11] формуле, была полностью подтверждена Дести с сотр. [12, 13] на примере металлических колонок и Скоттом [14], применявшим пластмассовые трубки. В этих и других работах довольно скоро были достигнуты значения кажущейся эффективности капиллярных колонок, превышавшие 1 млн т. т. [15], и явно не соответствующие наблюдавшемуся разделению изучаемых компонентов.

Это явление подробно рассматривалось в работах Пернелла [16], впервые указавшего на важное различие между наполненными и капиллярными колонками. Различие связано с тем, что вследствие малого количества жидкой фазы на стенках трубки соотношение долей сечения, занятых жидкой фазой и газом-носителем, в капиллярных колонках оказывается на два-три порядка меньше, чем в наполненных колонках. Это приводит к тому, что отношение распределения к в капиллярных колонках не превышает трех-пяти даже при величине коэффициента распределения, равной нескольким сотням или тысячам. На практике это означает, что, в отличие от наполненных колонок, в капиллярных колонках “мертвый” объем оказывается соизмеримым с чистыми объемами удерживания разделяемых веществ, а часто и превышает их по своей величине. Пример такой хроматограммы приведен на рис. 8. Вследствие большой величины собственного газового объема колонки для многих пиков достигается лишь частичное разделение. Вещество, не сорбирующееся жидкой фазой, проходит через колонку со скоростью газа-носителя. Понятно, что при наличии смеси нескольких таких веществ их разделение не будет происходить из-за полного отсутствия взаимодействия с жидкой фазой. Тем не менее пик такого вещества может быть измерен и его ширина может быть подставлена в формулу для подсчета числа теоретических тарелок [11]:

п = —п = —(3-1)

п = —

п = —

где о - второй момент пика. При этом формально будет получено некоторое число теоретических тарелок, которое, конечно, ни в коей мере не является характеристикой разделяющей способности системы в данном случае.

Учитывая, что в формуле (3-1) полный объем удерживания включает “мертвый” объем системы и чистый объем удерживания, получим:

п =п =ч + и2а а /ч + и2а а /(3-2)(3-2)

п =

п =

ч + и2а а /

ч + и2а а /

(3-2)

(3-2)

Разделение, реально достигаемое в результате взаимодействия исследуемых веществ и жидкой фазы в колонке, характеризует главным образом второй член в скобках. Эта величина, квадрат которой назван Пёрнелом [16] фактором разделения п\ связана с первоначально определенным числом теоретических

тарелок п простым соотношением. Из уравнения (3-2) получим

откуда

Теперь видно, что величина л' оказывается тем меньше п, чем меньше коэффициент к по сравнению с единицей. Если величина к стремится к нулю, то Нт п' = 0, так что для несорбирую- щихся компонентов никакого разделения ожидать нельзя, что соответствует действительности. Поэтому фактор разделения п' часто называют числом чистых теоретических тарелок, имея в виду то обстоятельство, что это число в большинстве случаев хорошо соответствует реально достигаемому разделению близких по свойствам компонентов. В обычных наполненных колонках для газожидкостной хроматографии обычно к > 1 и, следовательно

п'=п. (3-5)

Когда в упомянутых выше случаях разделений с числом теоретических тарелок, превышающим Ю-—106 т. т., было рассчитано число чистых теоретических тарелок, то вследствие малых величин к в этих работах фактор п' оказался много меньшим: он не превышал 5 х 103—104, что соответствовало наблюдаемому в этих опытах качеству разделения.

Тем не менее, было установлено, что число чистых теоретических тарелок, получаемое с помощью капиллярных колонок, намного превышает величины, достижимые с помощью наполненных колонок. Это обеспечило быстрый рост числа работ в этой области и значительное расширение областей применения капиллярной хроматографии.

Важным этапом развития этого метода явилась разработка к 1960 г. техники изготовления капиллярных колонок из стекла [17, 18], незаменимых при проведении медико-биологических исследований. Было показано, что с капиллярными колонками могут быть получены количественные результаты, не менее точные, чем при использовании обычных колонок [19]. Нашли свое применение в капиллярной хроматографии также и такие методические приемы, как программирование температуры [20] и скорости потока газа-носителя [21]. Стремление несколько снизить требования к чувствительности детектирующих систем обусловило развитие техники капиллярной хроматографии на ко-

донках большого диаметра [22, 23]. По той же причине, а также в связи с необходимостью расширить круг применяемых в капиллярных колонках жидких фаз и ликвидировать трудности их нанесения в форме тонкой равномерной пленки были разработаны капиллярные колонки с покрытыми пористым твердым носителем стенками [24-27]. Идея создания таких колонок была сформулирована еще в самых первых публикациях Голея [28]. В 1959-1961 гг. была подробно изучена зависимость результатов, достигаемых с помощью капиллярной хроматографии, от тех или иных экспериментальных факторов [29, 30]. Это позволило оценить оптимальные условия газохроматографического анализа в капиллярных колонках. Была показана возможность их применения для экспресс-анализа и разработана соответствующая аппаратура [31-33].

Исключительно важное значение имели первые попытки сочетания капиллярных колонок с масс-спектрометрами, применявшимися в качестве высокочувствительных детектирующих устройств и для идентификации разделяемых компонентов [34-37]. Эти исследования позже позволили полностью расшифровать состав сложнейших, состоящих из сотен компонентов смесей нефтехимических продуктов, метаболитов живых организмов, запахов и т.п. [38-41]. В настоящее время это направление является частью метода хромато-масс-спектрометрии, успешно используемого для решения важнейших аналитических проблем, например для анализа загрязнений окружающей среды [42-45]. При этом большую помощь оказывает разработанная в 1966 г. Парсе л ом и Эттре [46] техника предварительного улавливания и концентрирования анализируемых веществ в начальном сильно охлажденном участке колонки.

Развитие капиллярной хроматографии не ограничилось только техникой газо-жидкостной хроматографии, но затронуло и газоадсорбционные методы. Из числа наиболее ранних работ в этой области следует упомянуть исследования Монке и Саффер- та по разделению изотопов и спиновых изомеров водорода [47, 48], работы Птижана и Лефто [49], Шварца, Брассо и Шумейка [50, 51], Халаша с сотр. [24, 25, 52], Либерти с сотр. [53, 54] и др.

В 1960-1961 гг. были опубликованы результаты работ Витта, Бондарева и Полинина, осуществивших разделение ряда сложных углеводородных смесей [55]. Большой вклад в развитие газожидкостной и особенно газоадсорбционной хроматографии на капиллярных колонках внесли Калмановский, Киселев и др. [56-59]. В 1964 г. было опубликовано описание одного из первых в мировой практике специального капиллярного хроматографа ХГ-1301 с микроионизационным детектором на прометии-147 [60].

Обширный цикл исследований, касающихся методов приготовления высокоэффективных капиллярных колонок, техники работы с ними и интерпретации полученных результатов, выполнен Штруппе [61-65] и Шомбургом [66-72]. Ряд интересных медикобиологических проблем был решен с помощью стеклянных капиллярных колонок Хорнингом и Ван-ден-Ойвелом с сотр. [73-76]. Существенный прогресс в технике выполнения наиболее важной операции - нанесения на стенки капилляра жидкой фазы достигнут в работах Гроба [26, 77-81], Кайзера [82, 83] и Мистрю- кова [84-86]. Опубликованы работы, касающиеся применения в капиллярной хроматографии парообразных подвижных фаз [88-92]. Все более интенсивно проводятся исследования загрязнений окружающей среды с помощью капиллярной хроматографии в сочетании с масс-спектрометрической техникой и с электронно- вычислительными машинами [93-98]. Техника, теория и области применения капиллярной хроматографии подробно освещены в ряде обзоров и монографий [99-106]. Интенсивное развитие техники и методики капиллярной хроматографии привело к тому, что этот метод занял ведущее место в аналитической практике. Поэтому тщательная оценка возможностей капиллярной хроматографии и выявление тенденций ее развития уже в настоящее время приобретают исключительно важное значение.

ТЕЧЕНИЕ ГАЗОВ В ТОНКИХ ТРУБКАХ

Характер течения вязкой среды в канале определяется значением критерия Рейнольдса:

Re = Jrp/т], (3-6) где d - характеристический размер канала; и - скорость течения; р - плотность среды; т] - ее вязкость. Многочисленными экспериментами установлено, что характер течения любой среды резко изменяется от ламинарного к турбулентному, когда критерий Рейнольдса достигает так называемого “критического значения", равного приблизительно 2300 [104].

Типичная капиллярная колонка имеет диаметр 0,25-0,50 мм и длину 25-50 м. Перепад давлений, обеспечивающий значения времени удерживания разделяемых компонентов, не превышающие 1-2 часов, составляет 1-2 атм. При этих условиях количество газа, протекающего через капилляр в единицу времени, составляет 1-5 мл/мин, а его линейная скорость близка к величине 0,5-1,0 м/сек.

Значения критерия Рейнольдса, соответствующие указанным условиям, составляют 3—50 и, следовательно, на два-три порядка меньше его критического значения. Это означает, что поток газа в капиллярных колонках является строго ламинарным, подчиняющимся законам вязкого течения.

С учетом эффекта расширения газа при движении в капилляре большой длины закон вязкого течения Пуазейля выражается следующей формулой:

Е0=(яг4/16пЕ)-(Л°-^)/р0, (3.7)

где F - объемная скорость газа-носителя на выходе из колонки; г - радиус капилляра; L - его длина; г) - вязкость применяемого газа; р, и р„ - давление на входе и выходе колонки, соответственно [105].

Уравнение (3-7) по своей форме аналогично решению дифференциального уравнения течения газов через пористую среду, выражающего закон Дарси [106]:

F. = _S .dP=Sv=F<A. (3-8)

Т| dz р;

Согласно этому уравнению, объемная скорость потока при постоянном сечении колонки 5 пропорциональна градиенту давления по оси потока dP/dZ и проницаемости среды Кр и обратно пропорциональна вязкости газа Т|. Решение этого уравнения приводит к выражению

Сопоставление выражений (3-7) и (3-9) показывает, что для капиллярных колонок круглого сечения проницаемость равна

Kp=itr4/S.(3-10)

Если измерять расход газа Г() в мл/мин, длину L в м, радиус капилляра г в мм, давление р в кг/см2, а вязкость газа т] в мкпуаз, то формула (3-7) приобретает удобный для расчетов вид:

2 — 2

Ео = 11,04 106£—^А(3-11)

Wo

Время протекания газа-носителя по капиллярной колонке, рав-

ное времени удерживания несорбирующегося компонента, можно определить следующим образом:

Выражая dZ из уравнения (3-8) с учетом (3-10),

dZ =dZ =^dp ^FqPqIX^dp ^FqPqIX(3-13)(3-13)

dZ =

dZ =

^dp ^FqPqIX

^dp ^FqPqIX

(3-13)

(3-13)

(3-14)(3-14)(3-15)(3-15)_1бпГТ0 ~2_1бпГТ0 ~2з^-р,2)1з^-р,2)1(3-16)(3-16)

(3-14)

(3-14)

(3-15)

(3-15)

_1бпГ

Т0 ~2

_1бпГ

Т0 ~2

з^-р,2)1

з^-р,2)1

(3-16)

(3-16)

Подставляя (3-13) в (3-12) и изменяя пределы интегрирования.

получим

9 ^F-dP^ро ^FqPo'H

или после интегрирования

лгУ^-р^)

ЗП-Зр,^,2

Учитывая (3-7), можно выразить т0 следующим образом:

Соотношение (3-16) показывает, что время элюирования первого компонента разделяемой смеси весьма резко зависит от длины и диаметра применяемого капилляра, изменяясь пропорционально квадрату отношения этих величин.

Объем удерживания несорбирующегося компонента равен усредненному по величине давления объему газа-носителя, содержащегося в капиллярной колонке, или произведению объемной скорости газа-носителя на время удерживания несорбирующегося компонента, т.е.

itd2L4itd2L4Kd2L 2(Р3-1)4 3(Р2 -1)Kd2L 2(Р3-1)4 3(Р2 -1)(3-17)(3-17)

itd2L

4

itd2L

4

Kd2L 2(Р3-1)

4 3(Р2 -1)

Kd2L 2(Р3-1)

4 3(Р2 -1)

(3-17)

(3-17)

рис. 9. Зависимость вязкости газов от температуры

/ - водород; 2 - диоксид углерода; 3 - азот; 4 — гелий; 5 - кислород; 6 - аргон

Здесь первый множитель правой части представляет собой геометрический объем колонки, а второй множитель - обычная поправка на перепад давления [107].

На практике выведенные соотношения (3-11) и (3-16) по

зволяют предсказать величину “мертвого" времени и избавляют экспериментатора от целого ряда неудобств, связанных с длительным ожиданием первых пиков хроматограммы, появляющихся во многих случаях через несколько десятков минут после ввода пробы.

ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО ПРОЦЕССАОТ ВЯЗКОСТИ ПОДВИЖНОЙ ФАЗЫ

Важным параметром, определяющим скорость течения газа в капилляре, а следовательно, и длительность хроматографического процесса разделения является вязкость газа-носителя, зависящая от природы газа и температуры колонки. Применяемые в газовой хроматографии газы-носители имеют вязкости, различающиеся довольно значительно.

Наименьшей вязкостью обладает водород; ббльшие значения вязкости свойственны аргону. Такие газы, как гелий, азот и углекислый газ, занимают промежуточное положение [106-109]. Вязкость всех газов увеличивается при повышении температуры. При этом наименьшие изменения вязкости с температурой характерны для водорода (рис. 9). Эти данные показывают, что с точки зрения быстроты хроматографического процесса водород из- за своей малой вязкости имеет определенные преимущества перед другими газами. Изменение вязкости газов с температурой хорошо соответствует степенной зависимости вида:

П = 4Г\(3-18)

где А и В - константы для данного газа, Г - абсолютная температура. Значение показателя степени В несколько уменьшается с ростом температуры и, по данным [106], при высоких температурах для одно- и двухатомных газов приближается к 0,63. Для многоатомных газов и паров, имеющих более высокую критическую температуру, показатель В в интервале 0-400 °C изменяется сильнее. Однако в большинстве случаев можно полагать, что вязкость обычных газов-носителей изменяется пропорционально абсолютной температуре в степени 0,7 [106]. Такой характер изменения вязкости газов приводит к заметному падению скорости течения газа через капиллярную колонку при увеличении температуры, если перепад давлений на входе и выходе поддерживают постоянным.

Вязкость газов практически не зависит от изменений давления: при повышении давления от 1 до 20 кг/см2 вязкость водорода и диоксида углерода изменяется не более чем на 0,5-2,0%. Тепловое расширение материала колонки весьма незначительно влияет на ее диаметр. При изменении температуры на 200 °C величина г4 меняется не более чем на 1,5%. Поэтому, пренебрегая этим эффектом, связь между давлением, температурой и объемной скоростью газа можно выразить соотношением:

(3-19)(3-19)

(3-19)

(3-19)

Если скорость газа измеряется, как обычно бывает, при постоянной температуре, чаще всего комнатной (20 °C), то следует учесть эффект расширения газа, пропорциональный первой степени абсолютной температуры. При постоянном давлении на выходе из колонки, равном 1 кг/см2, это дает следующее соотношение:

^к=ГйГ Suzi^к=ГйГ Suzi(3-20)(3-20)

^к=ГйГ Suzi

^к=ГйГ Suzi

(3-20)

(3-20)

Это выражение позволяет оценить те изменения скорости газа-носителя в капиллярной колонке, которые связаны только с изменениями входного давления или температуры колонки.

ДВИЖЕНИЕ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЙ ЗОНЫВ ТРУБКАХ С ПОКРЫТЫМИ ЖИДКОСТЬЮ СТЕНКАМИ.

УРАВНЕНИЕ ГОЛЕЯ

Математическое описание процесса миграции конечной по протяженности зоны вещества в бесконечно длинной трубке круглого или прямоугольного сечения, проведенное Голеем в 1956-1958 гг. [ПО, Ш), базируется на следующих основных положениях. Распределение скоростей в потоке вязкой среды, текущей в трубке круглого сечения, имеет параболический характер. У оси потока скорость максимальна, а непосредственно вблизи стенок скорость перемещения среды равна нулю.

Поступательное перемещение потока и беспорядочное тепловое движение приводят к тому, что каждая молекула газа или жидкости проводит примерно равное время в каждом элементе площади сечения трубки, передвигаясь вдоль нее со средней скоростью потока. При наличии на стенках трубки неподвижного слоя, например, жидкой фазы, избирательно сорбирующей молекулы данного типа, все такие молекулы будут проводить примерно одинаковую долю времени в неподвижном слое. Если начальный участок трубки, заполненный сорбирующимся газом, имеет небольшую длину, т.е. сорбирующийся газ вводится в поток в виде “газового поршня”, то средняя скорость его перемещения будет меньшей, чем скорость газа-носителя. В то же время отдельные молекулы движущегося газа могут колебаться около центра распределения, перемещающегося со средней скоростью потока. Вследствие того, что отдельные молекулы могут проводить разное время в участках потока, имеющих различные скорости, т. е. опережать или отставать от основной массы сорбирующегося газа, первоначальная ширина введенной зоны будет увеличиваться. Такой процесс называется динамической диффузией. Помимо этого происходит увеличение ширины зоны под действием процесса статической диффузии, протекающего независимо от того, находится ли зона в движении или нет. Дополнительное увеличение ширины зоны связано с тем, что для установления равновесия между газом-носителем и сорбционным слоем необходимо некоторое время, т.е. с наличием определенного сопротивления массообмену.

Общее уравнение диффузии газа, записанное в векторной форме

DV3/ = ^ = ^ + Vgrad/,(3-21)

at dt

где D - коэффициент диффузии, а/- функция концентрации, для случая одномерного диффузионного потока неподвижного газа в прямом канале упрощается:

ЭХ2 Ф

(3-22)

Распределение концентраций в зоне является функцией пространственной координаты и времени

/ = НХ,о

(3-23)

Нормируя ее к единице, получим

(3-24)

Это выражение означает, что все количество вещества, составляющее рассматриваемую хроматографическую зону, находится в пределах конечного участка колонки.

Так как в пределах этого участка / > 0, то из (3-24) следует, что при X -> ± «,/-» О,УХ -» О

^Х2 ЭХ

(3-25)

Ширину зоны в данный момент времени можно охарактеризовать вторым моментом распределения концентраций в хроматографической зоне:

U = J fX^dX

(3-26)

Дифференцируя это выражение с учетом (3-26), получим изменение второго момента за бесконечно малый отрезок времени:

yX2^Xj = JrT ^XTdX = Ddt*\ ^X^dX (3-27)

Проводя интегрирование по частям и учитывая (3-24) и (3-25), можно прийти к соотношению

Г "I*™

2 Г /dX-2[yXK+ ^-Х2Ldx

= 2Ddt (3-28)

Этот результат означает, что скорость расширения хроматографической зоны конечной длины в трубке, заполненной непод-

вижным газом другого состава, в два раза превышает скорость диффузии.

Если такая же зона находится в потоке инертного газа-носителя, движущегося в круглой трубке радиуса г(| с покрытыми неподвижной фазой стенками в условиях вязкого течения со средней скоростью в данном сечении Vn, то скорость увеличения ее ширины будет иной. То есть отношение масс мигрирующего по колонке вещества в неподвижной и подвижной (газовой) фазах будет равно к. Тогда в условиях равновесия между фазами уравнение (3-21) можно записать в цилиндрических координатах:

[dr2 rdr dX2V~dt 4 rJdX’[dr2 rdr dX2V~dt 4 rJdX’(3-29)(3-29)где r - расстояние от оси трубки. При г = г0 соблюдается соотногде r - расстояние от оси трубки. При г = г0 соблюдается соотношениешениеroldrj \drjVг-фх 'Г-Гйroldrj \drjVг-фх 'Г-Гй(3-30)(3-30)Скорость движения зоны в (1 + к) раз меньше скорости движения газа-носителя. Вводя систему координат, передвигающуюся со средней скоростью зоны, т.е. со скоростью ее центра масс, получимX] =А'-еоГ(1+/О (3-31)Скорость движения зоны в (1 + к) раз меньше скорости движения газа-носителя. Вводя систему координат, передвигающуюся со средней скоростью зоны, т.е. со скоростью ее центра масс, получимX] =А'-еоГ(1+/О (3-31)При подстановке этой величины в уравнения (3-29) и (3-30) пос ледние приобретают вид:При подстановке этой величины в уравнения (3-29) и (3-30) пос ледние приобретают вид:(5- 12. 211[dr2 + г dr + ЭХ2 J(5- 12. 211[dr2 + г dr + ЭХ2 J#. fl±li_o2.12Ldt У°[ I+&r02 JdX,#. fl±li_o2.12Ldt У°[ I+&r02 JdX,(3-32)(3-32)2£m' =_*m +^Л21)ro vdr)r=4) Udr=n( 1 + k AdxJr=n)2£m' =_*m +^Л21)ro vdr)r=4) Udr=n( 1 + k AdxJr=n)(3-33)(3-33)Средняя концентрация вещества в подвижной фазе в данном сечении колонки может быть определена следующим образом:Средняя концентрация вещества в подвижной фазе в данном сечении колонки может быть определена следующим образом:7 Ф7 = — } frdrг0 о7 Ф7 = — } frdrг0 о(3-34)(3-34)Отклонение концентрации от средней для данного сечения величины может быть обозначено как Д/, так чтоОтклонение концентрации от средней для данного сечения величины может быть обозначено как Д/, так чтоZ = / + 4fZ = / + 4f(3-35)(3-35)

[dr2 rdr dX2V~dt 4 rJdX’

[dr2 rdr dX2V~dt 4 rJdX’

(3-29)

(3-29)

где r - расстояние от оси трубки. При г = г0 соблюдается соотно

где r - расстояние от оси трубки. При г = г0 соблюдается соотно

шение

шение

roldrj \drj

Vг-фх 'Г-Гй

roldrj \drj

Vг-фх 'Г-Гй

(3-30)

(3-30)

Скорость движения зоны в (1 + к) раз меньше скорости движения газа-носителя. Вводя систему координат, передвигающуюся со средней скоростью зоны, т.е. со скоростью ее центра масс, получим

X] =А'-еоГ(1+/О (3-31)

Скорость движения зоны в (1 + к) раз меньше скорости движения газа-носителя. Вводя систему координат, передвигающуюся со средней скоростью зоны, т.е. со скоростью ее центра масс, получим

X] =А'-еоГ(1+/О (3-31)

При подстановке этой величины в уравнения (3-29) и (3-30) пос ледние приобретают вид:

При подстановке этой величины в уравнения (3-29) и (3-30) пос ледние приобретают вид:

(5- 12. 211[dr2 + г dr + ЭХ2 J

(5- 12. 211[dr2 + г dr + ЭХ2 J

#. fl±li_o2.12Ldt У°[ I+&r02 JdX,

#. fl±li_o2.12Ldt У°[ I+&r02 JdX,

(3-32)

(3-32)

2£m' =_*m +^Л21)

ro vdr)r=4) Udr=n( 1 + k AdxJr=n)

2£m' =_*m +^Л21)

ro vdr)r=4) Udr=n( 1 + k AdxJr=n)

(3-33)

(3-33)

Средняя концентрация вещества в подвижной фазе в данном сечении колонки может быть определена следующим образом:

Средняя концентрация вещества в подвижной фазе в данном сечении колонки может быть определена следующим образом:

7 Ф

7 = — } frdrг0 о

7 Ф

7 = — } frdrг0 о

(3-34)

(3-34)

Отклонение концентрации от средней для данного сечения величины может быть обозначено как Д/, так что

Отклонение концентрации от средней для данного сечения величины может быть обозначено как Д/, так что

Z = / + 4f

Z = / + 4f

(3-35)

(3-35)

причем,причем,

причем,

причем,

(3-36)(3-36)J Afrdr = O о

(3-36)

(3-36)

В условиях, когда в трубке уже установилось равновесие, можно считать, что изменение концентрации Af весьма невелико по сравнению с /, т.е.

А/ <7 (3-37)

Усредняя все члены уравнений (3-29) и (3-33) по всему сече- 2 }

нию колонки, т.е. применяя к ним оператор ~J Ф(^г, где г о

Ф = Ф(г)(3-38)

есть усредняемая функция от радиуса, получим с учетом (3- 34H3-36):

2D(dbAг» I dr ЭХ,

ЗГ IЭ/Уо7 fl + 2£ -г2)дД( ,

dr 1+АЭХ,г0 о 1 + ^^ J ЭХ, (3-39)

2£>рдН

I dr Jr=m

= _/d(7 + A/)) +_L , fd(7 + A/))(3-40)

I dr J l + Л dX, I v17r=r„

Почленное вычитание этих двух уравнений приводит к выраже

ниюниюDs=0+k^+k'ОЛ|OfDs=0+k^+k'ОЛ|Of++г=^г=^

нию

нию

Ds=0+k^+k'

ОЛ|Of

Ds=0+k^+k'

ОЛ|Of

+

+

г=^

г=^

fl + 2Jt ^r2)2-т^ 1 т к гй jfl + 2Jt ^r2)2-т^ 1 т к гй j

fl + 2Jt ^r2)2-т

^ 1 т к гй j

fl + 2Jt ^r2)2-т

^ 1 т к гй j

(3-41)(3-41)dAf к (dAf \

(3-41)

(3-41)

-^-rdrип ——

ЭХ. 1 + Л 4dxJ

*X J /fl

Член k(dAf /Эг)г=^ по условию (3-37) весьма мал по сравнению с df/dt и им можно пренебречь. Необходимо выразить Д/' через 7 или производные этой функции. Для этой цели можно

подстайить в уравнение (3-32) выражение (3-35) и опустить течлены с Д£ которым соответствуют аналогичные члены с/ Тог-подстайить в уравнение (3-32) выражение (3-35) и опустить течлены с Д£ которым соответствуют аналогичные члены с/ Тог-да получимда получим[21 12. 21^[dr2 + г Эг +ЭХ,2,[21 12. 21^[dr2 + г Эг +ЭХ,2,(/ + ¥) =(/ + ¥) == д/Л^+ (1 + 26_2^ Э(/ + ДПdt Д1+6r02 J ЭХ,= д/Л^+ (1 + 26_2^ Э(/ + ДПdt Д1+6r02 J ЭХ,(3-42)(3-42)Так как / для данного сечения не является функцией радиуса, то уравнение (3-42) преобразуется следующим образом:Так как / для данного сечения не является функцией радиуса, то уравнение (3-42) преобразуется следующим образом:( dr2 r dr ЭХ2 J( dr2 r dr ЭХ2 J"dr °(l + 6r^ JdX,'"dr °(l + 6r^ JdX,'(3-43)(3-43)

подстайить в уравнение (3-32) выражение (3-35) и опустить течлены с Д£ которым соответствуют аналогичные члены с/ Тог-

подстайить в уравнение (3-32) выражение (3-35) и опустить течлены с Д£ которым соответствуют аналогичные члены с/ Тог-

да получим

да получим

[21 12. 21^

[dr2 + г Эг +ЭХ,2,

[21 12. 21^

[dr2 + г Эг +ЭХ,2,

(/ + ¥) =

(/ + ¥) =

= д/Л^+ (1 + 26_2^ Э(/ + ДПdt Д1+6r02 J ЭХ,

= д/Л^+ (1 + 26_2^ Э(/ + ДПdt Д1+6r02 J ЭХ,

(3-42)

(3-42)

Так как / для данного сечения не является функцией радиуса, то уравнение (3-42) преобразуется следующим образом:

Так как / для данного сечения не является функцией радиуса, то уравнение (3-42) преобразуется следующим образом:

( dr2 r dr ЭХ2 J

( dr2 r dr ЭХ2 J

"dr °(l + 6r^ JdX,'

"dr °(l + 6r^ JdX,'

(3-43)

(3-43)

Вычитая почленно уравнение (3-41) из (3-43), получим

(1 ЭД/ Э2Д/^, d/ (1 + 26 V) д/

1 —+=-6^г- + ип2-7

^r dr dr2 J Эг (1+6r02 JdX,

(1 + 26 V")(1+6 Гу J(1 + 26 V")(1+6 Гу JЭД/ ,6-—rdr +vnЭХ,1 + 6 °ЭД/ ,6-—rdr +vnЭХ,1 + 6 °(3-44)(3-44)

(1 + 26 V")

(1+6 Гу J

(1 + 26 V")

(1+6 Гу J

ЭД/ ,6

-—rdr +vn

ЭХ,1 + 6 °

ЭД/ ,6

-—rdr +vn

ЭХ,1 + 6 °

(3-44)

(3-44)

В этом выражении член, включающий производную ЭД//ЭХ,, мал по сравнению с членом с производной Э//ЭХ, и может быть опущен. Член с интегралом представляет собой значение ЭД/7ЭХЬ усредненное по радиусу капиллярной трубки в сечении X,. Понятно, что эта усредненная величина будет иметь тот же порядок величины, что и локальное значение соответствующей производной (ЭД(7дХ,) в цилиндрическом слое, отстоящем от оси трубки на любое расстояние в пределах от 0 до г0. Следовательно, этот член должен быть мал по сравнению с соответствующим членом, включающим Э//ЭХ,, и поэтому он может быть опущен. В результате получим уравнение,

(3-45)

( dr2 г dr J Эг (1+6r02 J ЭХ,

которое может быть решено относительно Д^ с учетом того, что при г = О величина Af должна иметь конечное значение:

Д/ = Д/о+ —k^-r1 + v00 ДО drД/ = Д/о+ —k^-r1 + v00 ДО dr11ДОДО1 + 2Л 2 г1+Л1 + 2Л 2 г1+Лг4) Э/r^jdX,г4) Э/r^jdX,(3-46)(3-46)Теперь можно подставить найденное выражение для Д/' в уравнение (3-41), которое после интегрирования и некоторых преобразований примет вид:_ 1+6Л + 11РD + 5—48(1 +А)2ОТеперь можно подставить найденное выражение для Д/' в уравнение (3-41), которое после интегрирования и некоторых преобразований примет вид:_ 1+6Л + 11РD + 5—48(1 +А)2Од2/ dX2д2/ dX211^37^(1+4^) t^2 д27 dr 24(1+£) О dX,d11^37^(1+4^) t^2 д27 dr 24(1+£) О dX,d(3-47)(3-47)Сопоставляя полученный результат с уравнением (3-22), легко видеть, что влияние динамической, диффузии при движении хроматографической зоны в колонке со скоростью и(/(1 + &) приводит к увеличению коэффициента диффузии в левой части уравнения и к добавлению в его правой части члена, зависящего от положения зоны и от времени. Может быть строго доказано, что при значительной длине колонки, когда движение зоны можно считать установившимся, а произведение v^ и коэффициент диффузии D близкими по порядку величинами, этот член становится исчезающе малым и не влияет на скорость увеличения второго момента распределения концентраций в зоне при ее движении по колонке. Эта скорость может быть выражена следующим образом. В соответствии с изложенным выше уравнение (3-47) можно переписать следующим образом:Сопоставляя полученный результат с уравнением (3-22), легко видеть, что влияние динамической, диффузии при движении хроматографической зоны в колонке со скоростью и(/(1 + &) приводит к увеличению коэффициента диффузии в левой части уравнения и к добавлению в его правой части члена, зависящего от положения зоны и от времени. Может быть строго доказано, что при значительной длине колонки, когда движение зоны можно считать установившимся, а произведение v^ и коэффициент диффузии D близкими по порядку величинами, этот член становится исчезающе малым и не влияет на скорость увеличения второго момента распределения концентраций в зоне при ее движении по колонке. Эта скорость может быть выражена следующим образом. В соответствии с изложенным выше уравнение (3-47) можно переписать следующим образом:Э7 1 L, 1+6А:+Ш2 ugrjWdr 1 + 4 48(1+Л)2 * О JdX2Э7 1 L, 1+6А:+Ш2 ugrjWdr 1 + 4 48(1+Л)2 * О JdX2(3-48)(3-48)Это уравнение полностью аналогично выражению (3-22) и отличается от него лишь величиной коэффициента при второй производной. Преобразуя (3-48) по типу преобразования (3-22) —* (3-28), получимЭто уравнение полностью аналогично выражению (3-22) и отличается от него лишь величиной коэффициента при второй производной. Преобразуя (3-48) по типу преобразования (3-22) —* (3-28), получим2dU= — D +1 + *2dU= — D +1 + *1+6Л + НА:2 ^/о48(1 +А:)2 О* 11+6Л + НА:2 ^/о48(1 +А:)2 О* 1(3-49)(3-49)

Д/ = Д/о+ —k^-r1 + v0

0 ДО dr

Д/ = Д/о+ —k^-r1 + v0

0 ДО dr

1

1

ДО

ДО

1 + 2Л 2 г

1+Л

1 + 2Л 2 г

1+Л

г4) Э/r^jdX,

г4) Э/r^jdX,

(3-46)

(3-46)

Теперь можно подставить найденное выражение для Д/' в уравнение (3-41), которое после интегрирования и некоторых преобразований примет вид:

_ 1+6Л + 11Р

D + 5—

48(1 +А)2О

Теперь можно подставить найденное выражение для Д/' в уравнение (3-41), которое после интегрирования и некоторых преобразований примет вид:

_ 1+6Л + 11Р

D + 5—

48(1 +А)2О

д2/ dX2

д2/ dX2

11^37^(1+4^) t^2 д27 dr 24(1+£) О dX,d

11^37^(1+4^) t^2 д27 dr 24(1+£) О dX,d

(3-47)

(3-47)

Сопоставляя полученный результат с уравнением (3-22), легко видеть, что влияние динамической, диффузии при движении хроматографической зоны в колонке со скоростью и(/(1 + &) приводит к увеличению коэффициента диффузии в левой части уравнения и к добавлению в его правой части члена, зависящего от положения зоны и от времени. Может быть строго доказано, что при значительной длине колонки, когда движение зоны можно считать установившимся, а произведение v^ и коэффициент диффузии D близкими по порядку величинами, этот член становится исчезающе малым и не влияет на скорость увеличения второго момента распределения концентраций в зоне при ее движении по колонке. Эта скорость может быть выражена следующим образом. В соответствии с изложенным выше уравнение (3-47) можно переписать следующим образом:

Сопоставляя полученный результат с уравнением (3-22), легко видеть, что влияние динамической, диффузии при движении хроматографической зоны в колонке со скоростью и(/(1 + &) приводит к увеличению коэффициента диффузии в левой части уравнения и к добавлению в его правой части члена, зависящего от положения зоны и от времени. Может быть строго доказано, что при значительной длине колонки, когда движение зоны можно считать установившимся, а произведение v^ и коэффициент диффузии D близкими по порядку величинами, этот член становится исчезающе малым и не влияет на скорость увеличения второго момента распределения концентраций в зоне при ее движении по колонке. Эта скорость может быть выражена следующим образом. В соответствии с изложенным выше уравнение (3-47) можно переписать следующим образом:

Э7 1 L, 1+6А:+Ш2 ugrjWdr 1 + 4 48(1+Л)2 * О JdX2

Э7 1 L, 1+6А:+Ш2 ugrjWdr 1 + 4 48(1+Л)2 * О JdX2

(3-48)

(3-48)

Это уравнение полностью аналогично выражению (3-22) и отличается от него лишь величиной коэффициента при второй производной. Преобразуя (3-48) по типу преобразования (3-22) —* (3-28), получим

Это уравнение полностью аналогично выражению (3-22) и отличается от него лишь величиной коэффициента при второй производной. Преобразуя (3-48) по типу преобразования (3-22) —* (3-28), получим

2

dU= — D +

1 + *

2

dU= — D +

1 + *

1+6Л + НА:2 ^/о48(1 +А:)2 О* 1

1+6Л + НА:2 ^/о48(1 +А:)2 О* 1

(3-49)

(3-49)

выражая dt через скорость движения зоны и дифференциал длины колонки,получим

ии(3-50)(3-50)(3-51)(3-51)dt = (1 + k)dX/v0

и

и

(3-50)

(3-50)

(3-51)

(3-51)

20 I+6& + I 1А2 ф^r0 + 24(1 + *)2 ’ D _

Интеграл этой величины по длине колонки (X = £) дает второй момент распределения концентраций в зоне, покидающей колонку. Поэтому член в квадратных скобках, имеющий размерность длины, есть не что иное, как высота, эквивалентная теоретической тарелке. Эта величина будет соответствовать действительно наблюдаемой только в случае колонок, работающих с малым перепадом давления и не обладающих заметным сопротивлением массопередаче.

Учесть наличие конечной скорости массообмена в реальной колонке можно, исходя из следующих соображений.

Диффузия внутри слоя с коэффициентом диффузии D1 может быть описана уравнением

р^ Z - ^.(3-52)

' ЭХ2 Эг(}

Для элемента слоя неподвижной фазы, имеющего коэффициент распределения К, может быть записано уравнение материального баланса диффундирующего вещества:

Э^/ЭХ = -ХЭ//Ф(3-53)

где Е, - скорость массопередачи на единицу поверхности слоя. Интегрируя уравнение (3-52) и исключая df/dr, можно найти Е,

^-KD^/dX'(3-54)

Для малых значений/удобно выразить изменение концентрации компонента в зоне в экспоненциальной форме:

/^ехр^ + Х^/ОД’^ + Лехр^-Х^^^(3-55)

Простой подстановкой можно показать, что это выражение удовлетворяет уравнению (3-52). Поэтому из уравнения (3-54) легко найти %:

^ = -/Х(фО/),'2ехр[ф/ + Х(ф/О,)Н2] +

+/2Х(фО,)|,2хехр[фГ-Х(ф/D,)i/2](3-56)

Пусть толщина слоя неподвижной фазы равна dj. Тогда X изменяется отХ = 0 на границе между слоем и газом в колонке до X = d{^ стенки колонки. В последнем случае скорость переноса массы диффундирующего компонента должна быть равна нулю, откуда, используя уравнение (3-56), получим

/2 = Z ехр^/ф/О,)1'2](3-57)

Подставляя (3-57) в (3-55) и (3-56), можно получить отношение (£//) на границе между неподвижной и подвижной фазами;

С = ^1Лх=0 = К^1О^!гШ^1О^т(3-58)

При малых концентрациях d^lDyG ^ L поэтому можно считать, что гиперболический тангенс равен своему аргументу, и тогда

G = 1»Kdj(3-59)

Здесь произведение Kd/ представляет собой количество вещества, сорбируемое единицей площади слоя неподвижной жидкости толщиной df из газа, где концентрация вещества равна единице. Эта величина в известной мере аналогична распределенной емкости электрического кабеля.

Подобным образом аналогией электрического сопротивления будет диффузионное сопротивление

Rd=d$!KDt(3-60)

где величина 1/KD; играет роль удельного сопротивления [111]. На основе такой аналогии между процессами диффузии и распространением электрического сигнала Голей показал, что слой неподвижной фазы может быть представлен эквивалентной схемой из одного конденсатора емкостью Ct и одного сопротивления Rd /3. Аналогиями концентраций Л=п> и ft=fr=^*t будут соответствующие электрические потенциалы, зависимость между которыми имеет следующий вид [112]:

/(3-61)

Период собственных колебаний контура, которым является упомянутая выше электрическая цепь, будет равен

Tk = RdCt/3 = d2?/ЗК2О,(3-62)

Для круглой колонки отношение распределения - отношение количеств вещества в неподвижной и подвижной фазах - выражается следующим образом:

к = 2 л г^Ц К / it г02 = 2 Kdf / г0,(3-63)

отсюда, _к_ г0

f К 2(3-64)

Подставляя (3-64) в (3-62), получим

Т^к^ЩК1^.(3-65)

Граничные условия, ранее выраженные уравнением (3-30), теперь могут быть записаны следующим образом:

(3-66)(3-66)

(3-66)

(3-66)

где /и - функция концентрации вещества у стенки трубки.

Производя замену переменных, соответствующую уравнениям (3-31) и (3-36), с подстановкой jw вместо/и Д^ вместо Д/' распространяя на Д^ условие (3-38), можно прийти к аналогичному (3-41) выражению для граничного условия:

В то же время

2оГздП _ 3(7+д/j к ^+^ro I dr3|1+А ЭХ,

по аналогии с (3-66).

Производя, как и ранее, почленное вычитание уравнения (3-68) из уравнения (3-67), придем к уравнению, аналогичному (3-41):

ЭХ2 Зг

(3-69)(3-69)2у0 } (\+2к .г2)ЗД/ , к ЗДЛ.?о о ( 1 + ^ г0 J ЗХ, 1 + к ЭХ,

(3-69)

(3-69)

Появляющийся при этом член к 3SfH,/di опущен в силу условия (3-37) с учетом замены Д^на Afw. При вычитании из уравнения (3-43)

выражений (3-41) или (3-69) и опускании членов с ДА или &fw< соответствующих по форме членам с /, можно выразить ДА из уравнения, аналогичного (3-45). Решение дается формулой (3-46), подставляя которую с соответствующими поправками в уравнение (3-68), можно найти значение ДА„:

ДС =ДС =2Ртк А Эдакг6 \ dr2Ртк А Эдакг6 \ dr1ч4Р1ч4Р, ЗА 2, ЗА 2, Ур^р+ЗП д/ 2 k1+tJdX,, Ур^р+ЗП д/ 2 k1+tJdX,(3-70)(3-70)

ДС =

ДС =

2Ртк А Эдакг6 \ dr

2Ртк А Эдакг6 \ dr

1

ч

4Р

1

ч

4Р

, ЗА 2

, ЗА 2

, Ур^р+ЗП д/ 2 k1+tJdX,

, Ур^р+ЗП д/ 2 k1+tJdX,

(3-70)

(3-70)

Теперь можно подставить в уравнение (3-42) выражения (3-70) для &fw, (3-46) для ДА и (3-65), для 7). После выполнения интегрирования в правой части и простых преобразований получим

Г| 1+6А + Ш2 и1^ t Р и^ ЛдЧ48(l + fc)2 D !2(1 + к)2 ^oJdX,2

(3-71)(3-71),к(А+4к) к32 Э2/

(3-71)

(3-71)

+ Л)^4- + —Н~ +т— иоГо-Л-St 24(1 + /)D 12(1 + Л)№Р, 00 ЭХ)д/

Как и при выводе выражения (3-47), здесь также можно показать, что при установившемся движении зоны второй член правой части становится исчезающе малым. Это приводит к уравнению, сходному с (3-22), которое далее может быть преобразовано аналогично преобразованию (3-22) —> (3-28) в выражение для дифференциала второго момента распределения концентраций в зоне при ее движении по колонке:

,-1Р 1 ч-бЛ +1 Id2 и»^ 2 к ^0 + 24(1 + ^)2 ' Р + 3*(1+А)2,-1Р 1 ч-бЛ +1 Id2 и»^ 2 к ^0 + 24(1 + ^)2 ' Р + 3*(1+А)2у»^/DUу»^/DUdXdX(3-72)(3-72)

,-1Р 1 ч-бЛ +1 Id2 и»^ 2 к ^0 + 24(1 + ^)2 ' Р + 3*(1+А)2

,-1Р 1 ч-бЛ +1 Id2 и»^ 2 к ^0 + 24(1 + ^)2 ' Р + 3*(1+А)2

у»^/DU

у»^/DU

dX

dX

(3-72)

(3-72)

Величина в скобках здесь, как и в случае (3-51) дает значение ВЭТТ.

(3-73)(3-73)2Р 1+6к + 11к2 г2 2 к d1, Ч5— Уо +г — Уо

(3-73)

(3-73)

УО 24(1 +Л)2D 0 3(1 + Л)2 О, 0

Это выражение известно под названием уравнения Голея. Выражения такого же типа получены позже и другими авторами [112].

СОПРОТИВЛЕНИЕ МАССОПЕРЕДАЧЕНА МЕЖФАЗНЫХ ГРАНИЦАХ

При выводе уравнения Голея постулируется наличие в колонке равновесия между газовой и жидкой фазами в любой момент времени. Это равносильно утверждению о том, что равновесие в колонке устанавливается мгновенно.

Случай, когда это условие не соблюдается, был рассмотрен Каном [113, 114]. Строгое математическое решение уравнений диффузии и материального баланса в элементе зоны dX с помощью преобразования Лапласа привело к уравнению:

„ 2D l+6Jt + ll*2у0 24(1+it)2 Dg

+ + (3-74) 3(1 + Л)2 Dt (1+t)2^

где Ds - коэффициент молекулярной диффузии в газе; kd - константа скорости десорбции вещества с поверхности. Эта константа может быть оценена с помощью молекулярно-кинетической теории газов, однако достаточное количество экспериментальных данных оказалось возможным собрать только для смеси одной пары веществ - ацетона и хлороформа. Кан провел необходимые расчеты, считая, что один из компонентов этой смеси нанесен на стенки капиллярной колонки диаметром 0,2 мм в виде пленки толщиной 0,2 мкм и является сорбентом, а другой является сорбатом. При этом константа kd оказалась равной 2,04 • 10-3 см/сек, откуда было вычислено, что размывание зоны, связанное с сопротивлением массопередаче на границе жидкой и газообразной фаз, соответствует около 52% общей высоты, эквивалентной теоретической тарелке.

Экспериментальные данные о работе капиллярных колонок со скваланом в качестве неподвижной жидкой фазы, полученные Дести и Голдапом [115], не соответствовали теоретическим предсказаниям, базирующимся на уравнении Голея (3-73) [116]. Это дает основание считать, что добавочное сопротивление массооб- мену на межфазной границе, эквивалентное наличию постулируемого Голеем некоторого отклонения от равновесия, действительно имеет место в реальной хроматографической колонке. Шай [117] отмечает, что в хроматографической колонке имеются два концентрационных пика, движущихся одновременно, - один в подвижной фазе и другой - в неподвижной. При этом пик в не-

подвижной фазе должен отставать от пика в подвижной фазе, т.к. в противном случае не возникнет движущей силы для массо- обмена между двумя этими фазами. К аналогичным выводам пришли и авторы работ [118-120].

Таким образом, имеются физические предпосылки для существования в колонке сопротивления массообмену на границе подвижной и неподвижной фаз.

ПЕРЕПАД ДАВЛЕНИЯ В КОЛОНКЕ.ПОКАЗАТЕЛЬ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Голей [110] при объяснении теории работы капиллярной колонки учитывал увеличение сопротивления массообмену с повышением скорости движения среды следующим образом. В реальной колонке, вдоль которой существует определенный перепад давлений, и следовательно, градиент скорости, ширину зоны необходимо выражать с помощью второго момента распределения массы (ИО, а не концентраций, в зависимости от положения зоны в колонке:

dW = p2du,(3-75)

где р - давление в данном сечении колонки.

На основании уравнений (3-7) и (3-8) падение давления вдоль колонки равно

pdp = qvopodX,(3-76)

где ии - линейная скорость газа-носителя на выходе колонки, a q - параметр проницаемости. Для круглых трубок

? = 8Д/^(3-77)

где Т] - вязкость газа-носителя.

Скорость изменения второго момента распределения масс при оптимальной скорости газа-носителя можно выразить согласно (3-75) как

dW = p2du = p2HoptdXy.(з_78)

Эта величина по своему физическому смыслу может рассматриваться как квадрат работы, затраченной на расширение полосы до ее результирующей ширины в колонке единичного сечения. Величина Нор| соответствует высоте, эквивалентной теоретической тарелке, при оптимальной скорости газа-носителя. Эта

скорость может быть найдена дифференцированием по dv0 выражения, стоящего в уравнении (3-51) в квадратных скобках. Приравняв соответствующую производную к нулю, получимскорость может быть найдена дифференцированием по dv0 выражения, стоящего в уравнении (3-51) в квадратных скобках. Приравняв соответствующую производную к нулю, получим2D 1 + 6Л + 11*2 к? Л1и- = о и^ 24(1 + kf D2D 1 + 6Л + 11*2 к? Л1и- = о и^ 24(1 + kf D(3-79)(3-79)илиили„ /„, xl/248(1+&)2 ] 1?ор‘ Го^+бЛ + ПА:2 J„ /„, xl/248(1+&)2 ] 1?ор‘ Го^+бЛ + ПА:2 J(3-80)(3-80)Подставив полученное значение оптимальной скорости в выражение (3-73) для ВЭТТ, получимПодставив полученное значение оптимальной скорости в выражение (3-73) для ВЭТТ, получимЯор,Яор,1+6£ + Ш23(1+Jt)21+6£ + Ш23(1+Jt)2(3-81)(3-81)

скорость может быть найдена дифференцированием по dv0 выражения, стоящего в уравнении (3-51) в квадратных скобках. Приравняв соответствующую производную к нулю, получим

скорость может быть найдена дифференцированием по dv0 выражения, стоящего в уравнении (3-51) в квадратных скобках. Приравняв соответствующую производную к нулю, получим

2D 1 + 6Л + 11*2 к? Л

1и- = о и^ 24(1 + kf D

2D 1 + 6Л + 11*2 к? Л

1и- = о и^ 24(1 + kf D

(3-79)

(3-79)

или

или

„ /„, xl/2

48(1+&)2 ] 1?ор‘ Го^+бЛ + ПА:2 J

„ /„, xl/2

48(1+&)2 ] 1?ор‘ Го^+бЛ + ПА:2 J

(3-80)

(3-80)

Подставив полученное значение оптимальной скорости в выражение (3-73) для ВЭТТ, получим

Подставив полученное значение оптимальной скорости в выражение (3-73) для ВЭТТ, получим

Яор,

Яор,

1+6£ + Ш23(1+Jt)2

1+6£ + Ш23(1+Jt)2

(3-81)

(3-81)

Интегрируя уравнение (3-78) с учетом (3-76) и (3-81), можно найти второй момент распределения масс в хроматографической зоне при выходе ее из колонки:

^оРо^оРо(3-82)(3-82)

^оРо

^оРо

(3-82)

(3-82)

Многочисленными опытами установлено, что отношение второго момента распределения масс к квадрату удельной массы газа (т,,) в колонке пропорционально квадрату отношения ширины зоны к ее времени удерживания:

W Дт2

(3-83)(3-83)8(ln2)—= ^5l

(3-83)

(3-83)

Среднее значение удельной массы в колонке определяется из уравнения, совпадающего по форме с выражением для работы газа-носителя, продвигающего зону через колонку единичного сечения:

L

(3-84)(3-84)т =J PdX = Pi Ро ,о ^qvoPo

(3-84)

(3-84)

причем время прохождения через колонку несорбирующегося газа равно

(3-85)(3-85)Т - "^ - Р> " рои<А ^чАро

(3-85)

(3-85)

Выражая радиус колонки через ВЭТТ и используя соотношение (3-77), получим

аЛ = Ctl) = H^q.(3-86)

Подставляя (3-82) и (3-84) в (3-83), получим

-.9(р4"Ро)„_ Дт2

(3-87)(3-87)8(1п2^(^_^)"<^^^ Т2 •

(3-87)

(3-87)

Возводя обе части этого равенства в квадрат и умножая на т() из выражения (3-85), получим

27 (а4-Ро)2 „2„ Д<

Заменяя далее ^ptЗаменяя далее ^pt64(|п2). ^opt^oPo '~Гто- (3-88)

Заменяя далее ^pt

Заменяя далее ^pt

в соответствии с (3-86) и перегруппировывая

члены, получим

^Р- " Ро )2' [О + Ьк +11*2)/(1 + к^] ’^Р- " Ро )2' [О + Ьк +11*2)/(1 + к^] ’(3-89)(3-89)Лт4 64(1п2)2Т| =--—•

^Р- " Ро )2' [О + Ьк +11*2)/(1 + к^] ’

^Р- " Ро )2' [О + Ьк +11*2)/(1 + к^] ’

(3-89)

(3-89)

где к, по определению,

к =('tx -'U^o ■(3-90)

Так как при выводе соотношения (3-89) предполагалось наличие полного равновесия в колонке, которое не достигается в действительности, правая часть уравнения (3-89) всегда будет превышать его левую часть, пропорциональную вязкости подвижной фазы. Поэтому отношение правой части к левой, всегда превышающее единицу, показывает, в какой мере работа данной колонки приближается к работе идеальной колонки, обладающей строго равномерным слоем неподвижной фазы, диффузия в котором протекает мгновенно. Кроме того, предполагается, что скорость подвижной фазы в этой идеальной колонке является оптимальной для данного компонента. Эти соображения дают основания назвать упомянутое выше отношение удельным показателем эффективности:

SPi_ 1Зт0(1 + £)216 У-Р$

64(1п2)2Т| ( т, ) 8(1 + 6£ + ИР) 27 ^„^j2’

Это довольно громоздкое выражение можно упростить путем введения двух следующих допущений. Последний множитель правой части может быть заменен на величину ДР = Р, - Р(). Это вносит ошибку около 40% при очень большой величине отношения Р, /Ро При Р, —> Р() эта ошибка быстро уменьшается и исчезает при ДР = 0. При Р, /Ро = 2 ошибка составляет 9,7%. Второе упрощение заключается в том, что коэффициент при т] в формуле (3-86) можно заменить более простым приближенным выражением

4 С А

Ск = - 1 + 15— .(3-92)

* 3k1 + U

В этом случае ошибки не превосходят 30% при значениях к < 10, что обычно имеет место в случае капиллярных колонок. Подставляя в формулу (3-91) соответствующие выражения, заменяя к его значением (3-90), получим выражение для показателя эффективности:

(3-93)(3-93)Р/ = Д^т0ДР/т^т,-^|тД\/

(3-93)

(3-93)

С учетом уже сделанных допущений можно полагать, что 4~~^=V(3-94)

Это приводит к более простой формуле: Pf = А^Ь^.(3-95)

Наименьшее возможное значение дается выражением P/lim=2l0(ln2)IT|/3,(3-96)

которое в случае применения гелия в качестве газа-носителя составляет 0,1 пуаз.

Физический смысл показателя эффективности можно проиллюстрировать, записав формулу (3-93) следующим образом:

(3-97)(3-97)р/ = [ Ат< Y. JLlZ^^oх л и / ТJ Т,16 °

(3-97)

(3-97)

Здесь первый сомножитель в правой части представляет собой величину, обратно пропорциональную квадрату фактора разде-

ления Пернелла, характеризующего разделяющую способность колонки. Третий член - произведение времени удерживания на перепад давлений — является мерой затрат на достигаемое разделение. Средний член является безразмерной величиной, мало изменяющейся при изменении отношения С/То и имеющей максимум при т* /т0 = 4,1.

Р/ =Р/ =•—-^Ар- т•—-^Ар- тАналогично можно записать уравнение (3-95):

Р/ =

Р/ =

•—-^Ар- т

•—-^Ар- т

(3-98)

Первый множитель в (3-98) представляет собой четвертую степень относительной ширины полосы или величину, обратную квадрату числа теоретических тарелок данной колонки. Понятно, что вследствие малых значений к эта величина не характеризует должным образом разделяющую способность колонки. Средний член в равенстве (3-98) равен степени замедления движения зоны по сравнению с движением газа-носителя, т.е. величине 1/(к + 1), а третий член, как и в (3-97), представляет собой меру затрат на выполнение данного разделения.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОЛОНОКНЕКРУГЛОГО СЕЧЕНИЯ

Приведенные выше рассуждения повторяют основные идеи проведенного Голеем анализа работы капиллярных колонок круглого сечения. Аналогичным путем Голеем были рассмотрены процессы расширения зоны в колонках прямоугольного (щелевидного) сечения и получена формула для ВЭТТ такой колонки:

» = 2£l + A<!±2^125l5^)^ 2_^о_ v0 105(1+Л)2 Dr 3(1+*)2П/'

где h - ширина щели. Формулы для показателей эффективности такйх колонок сохраняют свой вид, однако входящий в выражение для удельного показателя эффективности коэффициент Ct (см. ф-лу (3-86)] приобретает следующий вид:

(3-100)(3-100)Г = — 1±2£±3^5Рк 35*(1 + Jt)2

(3-100)

(3-100)

Как видно из (3-100) и (3-86) величина Ct для колонок прямоугольного сечения меньше, чем для круглых колонок [118]. Хотя это позволяет предполагать, что колонки прямоугольного сечения (при h = г0) имели бы более высокую эффективность, до настоящего времени такие колонки не получили широкого распространения. Однако было показано, что щелевидную колонку с h = 0,2 мм можно легко приготовить равномерным сплющиванием медного капилляра с внутренним диаметром I мм [119]. При этом полная эффективность колонки возрастала в 5-7 раз. В то же время имеются данные о том, что колонки некруглого сечения по своей эффективности несущественно отличаются от обычных круглых колонок. С другой стороны, описаны способы изготовления капиллярных колонок некруглого сечения, включая процессы нанесения неподвижной фазы.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ КАПИЛЛЯРНЫХ КОЛОНОКВ ТУРБУЛЕНТНОМ РЕЖИМЕ

ТЕЧЕНИЯ ПОДВИЖНОЙ ФАЗЫ

Основным фактором, вызывающим увеличение ширины хроматографической зоны в незаполненной капиллярной колонке и положенным в основу изложенного выше теоретического анализа, является динамическая диффузия, обусловленная наличием параболического профиля скорости при ламинарном течении газа в трубке. Известно [104], что увеличение скорости потока до такого уровня, когда значение критерия Рейнольдса (3-6) превышает 2300, приводит к резкому изменению характера течения, связанному с переходом к турбулентному режиму. Такой режим характеризуется значительно более равномерным распределением локальных скоростей по сечению канала. При этом лишь у самой стенки в узкой зоне толщиной 5 = 0,1 -^ 0,01го имеет место быстрое падение скорости до нулевого значения (при г = г()), остальная же часть потока, находящаяся в средней части канала (от 0,1 до О,9го), - турбулентное ядро - движется с очень близкими значениями скоростей.

Наличие такого равномерного распределения скоростей, возникающего вследствие интенсивного образования и разрушения локальных вихревых потоков и мощного конвективного массо- обмена между центральными и периферийными участками струи, могло бы весьма существенно снизить динамическое расширение хроматографической зоны, описываемое третьим сла-

гаемым в уравнении Голея [см. (3-73)]. Обобщенное выражение для ВЭТТ колонки при любом режиме течения подвижной фазы было выведено Преториусом и Сматсом [122, 123]:

где скорость и зависит от текущей координаты вдоль оси колонки; л,! - скорость газа у стенки; С, - константа, а /( - интеграл функции

2"

о 2пр(г)о 2пр(г)Ф*(г)-Ф*(г)-(3-102)(3-102)

о 2пр(г)

о 2пр(г)

Ф*(г)-

Ф*(г)-

(3-102)

(3-102)

где г, = r0 - d,.

Интеграл Ц может быть выражен через три других интегральных выражения, допускающих числовую оценку:

(1+М2(1+М2(3-103)(3-103)

(1+М2

(1+М2

(3-103)

(3-103)

I Л [Ь^£Й^13 | 2gV(y)I Л [Ь^£Й^13 | 2gV(y)(3-104)(3-105)(3-106)(3-107)(3-108)(3-104)(3-105)(3-106)(3-107)(3-108)следующим(3-109)следующим(3-109)

I Л [Ь^£Й^

13 | 2gV(y)

I Л [Ь^£Й^

13 | 2gV(y)

(3-104)

(3-105)

(3-106)

(3-107)

(3-108)

(3-104)

(3-105)

(3-106)

(3-107)

(3-108)

следующим

(3-109)

следующим

(3-109)

где

/ Л dv Г 2[1-(у/5)ЗФ(у)^

Н | 2(g-y)44y)[Jg

{ =Г ПЧу/sWf 2[1 -(у/^)Ф(у)^у

12 I 2gT(y) Jg

В этих выражениях

5 = 0,1Яет/8;

y = g(\-HrtY

Функция Ф*(г) в формуле (3-102) определяется образом:

Фt(r) = J 2(т/г,)Ф(г) Jr.о

Входящие в формулы (3-102) и (3-1O4H3-1O6) функции Ф(г) и Фб) описывают изменение радиальных дисперсионных коэффи-

циентов и вариации линейной скорости по радиусу трубки в соответствии со следующими соотношениями:

(3-110)(3-110)(3-111)(3-111)D^D^r);

(3-110)

(3-110)

(3-111)

(3-111)

и(г) = нФ(г).

Коэффициент Dg в формуле (3-101) описывает продольную молекулярную диффузию. Оба дисперсионных коэффициента Dr и Ds являются суммой коэффициентов молекулярной и вихревой диффузии в соответствующих направлениях.

Произведение .^“оЛ описывает вклад в В ЭТТ, связанный с сопротивлением массопередачи вдоль радиуса трубки в слое стационарной фазы. Члены f$ nf„ являются поправочными множителями, компенсирующими сжимаемость газа в колонке [124] и независящими от характера движения среды в колонке. Эти ве

личины определяются следующими соотношениями:

(3-112)(3-112)(3-113)(3-113)

(3-112)

(3-112)

(3-113)

(3-113)

Для несжимаемой среды, например в случае течения жидкости, Л = Л = 1.(3-114)

В условиях ламинарного потока Ф(г) = 2[1-(г/^)2](3-115)

и Т(А)=1,(3-116)

т.к. D(r) = Dm,(3-117)

где Dm - коэффициент молекулярной диффузии в подвижной фазе.

Подстановка выражений (3-104)-(3-117) в (3-101), (3-102) и (3-109) приводит после упрощения к уравнению Голея (3-73), что показывает общий характер исходного соотношения (3-101).

Для оценки ВЭТТ в условиях турбулентного режима необходимо знать вид функций Ф(г) и Ч^г). Однако исключительная сложность динамики турбулентного потока делает невозможным их точное аналитическое выражение.

На основе введенного Прандлем представления о том, что движение макроскопических элементов в турбулентном потоке сходно с движением молекул в газе, Сматс, де-Клерк и Преториус [123] пришли к выражениям:

(3-118)(3-119)(3-118)(3-119)W = l + e(y)/Dm;Ф(г) = 0,2Ке-1/8,

(3-118)

(3-119)

(3-118)

(3-119)

что, в сочетании с (3-107) и (3-108), приводит далее к формулам (3-104)-(3-106), Сложность этих интегральных формул не дает возможности провести оценку их величины аналитически. Однако это удалось сделать методами численного интегрирования с помощью электронно-вычислительных машин. При этом были получены численные соотношения, связывающие ВЭТТ, hm (выраженную в диаметрах колонки) с отношением распределения к и с величинами, характеризующими режим течения, т.е. с критериями Рейнольдса и Шмидта. Ниже приведены примеры таких уравнений для двух значений критерия Шмидта:

(3-120)(3-120)Sc = u}Dm

(3-120)

(3-120)

(V - кинематическая вязкость среды).

Для 5с = 1:

А„(Х) =А„(Х) =3,78-104Re2J3,78-104Re2J, л ( 2,18Н4-10х ке, л ( 2,18Н4-10х ке+ 2,59-Ю"3 U ++ 2,59-Ю"3 U +

А„(Х) =

А„(Х) =

3,78-104Re2J

3,78-104Re2J

, л ( 2,18

Н4-10

х ке

, л ( 2,18

Н4-10

х ке

+ 2,59-Ю"3 U +

+ 2,59-Ю"3 U +

—^- + 6,7-10^ VRe0181)—^- + 6,7-10^ VRe0181)Sc - Re(I+*)2’Sc - Re(I+*)2’(3-121)(3-121)

—^- + 6,7-10^ V

Re0181)

—^- + 6,7-10^ V

Re0181)

Sc - Re

(I+*)2’

Sc - Re

(I+*)2’

(3-121)

(3-121)

Для Sc = 1000:Для Sc = 1000:hra№ =hra№ ="36,01Re1'89"36,01Re1'89+ 3,2-10"8+f^^-l,6 10^)ji: +(ReJS)+ 3,2-10"8+f^^-l,6 10^)ji: +(ReJS)

Для Sc = 1000:

Для Sc = 1000:

hra№ =

hra№ =

"36,01

Re1'89

"36,01

Re1'89

+ 3,2-10"8+f^^-l,6 10^)ji: +

(ReJS)

+ 3,2-10"8+f^^-l,6 10^)ji: +

(ReJS)

27,55 Re,JI27,55 Re,JI) J(l+&)2) J(l+&)2(3-122)(3-122)

27,55 Re,JI

27,55 Re,JI

) J(l+&)2

) J(l+&)2

(3-122)

(3-122)

Каждое из таких уравнений соблюдается в пределах 2300 <Re < 105 для дискретных значений критерия Шмидта. Тем не менее, эти уравнения, а также приближенная формула

(3-123)(3-123)3,6-103100Л-5с2/3

(3-123)

(3-123)

(l + fc)2Ke1 + k

позволяют предсказать характер изменения ВЭТТ в области

Рис. 10. Изменение ВЭТТ капиллярной колонки при переходе к турбулентному режиму течения газа в ней. Кривые отвечают следующим значениям критерия Шмидта Sc и отношения распределения к1 - 1000,100; 2- 1000, ОД; 3 - 1000, 0,0; 4- 1, 100; 5- 1,0,1; 6- 1,0,0Рис. 10. Изменение ВЭТТ капиллярной колонки при переходе к турбулентному режиму течения газа в ней. Кривые отвечают следующим значениям критерия Шмидта Sc и отношения распределения к1 - 1000,100; 2- 1000, ОД; 3 - 1000, 0,0; 4- 1, 100; 5- 1,0,1; 6- 1,0,0Рис. 11. Зависимость ВЭТТ от числа Рейнольдса

Рис. 10. Изменение ВЭТТ капиллярной колонки при переходе к турбулентному режиму течения газа в ней. Кривые отвечают следующим значениям критерия Шмидта Sc и отношения распределения к

1 - 1000,100; 2- 1000, ОД; 3 - 1000, 0,0; 4- 1, 100; 5- 1,0,1; 6- 1,0,0

Рис. 10. Изменение ВЭТТ капиллярной колонки при переходе к турбулентному режиму течения газа в ней. Кривые отвечают следующим значениям критерия Шмидта Sc и отношения распределения к

1 - 1000,100; 2- 1000, ОД; 3 - 1000, 0,0; 4- 1, 100; 5- 1,0,1; 6- 1,0,0

Рис. 12. Связь величины hm в турбулентной области (/?е = 104) с величиной отношения распределения к. Плавная кривая рассчитана по уравнению (3-123); точки соответствуют значениям полученным в экспериментах [124J

больших скоростей потока, отвечающих турбулентному режиму течения. При этом оказывается, что при переходе от ламинарного режима к турбулентному ^„Ш может уменьшаться на 1-2 порядка, причем тем больше, чем выше величина критерия Шмидта Sc и чем ниже значение отношения распределения к (рис. 10).

Тщательная экспериментальная проверка изложенных положений, проведенная Шике, Сматсом и Преториусом [125], показала хорошее качественное соответствие с выводами теории.

Наиболее важные результаты были получены в опытах с капиллярной колонкой длиной около 150 м и внутренним диаметром 1,4 мм, стенки которой покрывали скваланом (рис. 3-5). Давление на входе в колонку изменяли от 3,64 до 60,31 кг/см2, а на выходе -от 1,14 до 58,31 кг/см2. При этих условиях эксперимента критерий Рейнольдса принимал значения от 484 до 10 485. На рис. 11 кривая 1 представляет собой результат линейной экстраполяции данных, рассчитанных по уравнению Голея при низких скоростях газа (/?е < 100), в область значений критерия Рейнольдса, близких к 1000, когда, несмотря на высокие скорости потока в колонке, характер течения все еще остается ламинарным.

Кривая 2 получена также расчетом по уравнению Голея при С, = 0 и Sc = I, что соответствует действительным значениям при хроматографии ацетилена в токе азота (Sc = 1,17). На рисунке видно, что экспериментально найденные величины ВЭТТ (3) в области значений 500 < Re < 2000 лежат значительно ниже обеих экстраполированных кривых, примерно на продолжении плавной кривой 4, характерной для турбулентной области Re > 3000. В этой области имеет место плавное снижение ВЭТТ с ростом критерия Рейнольдса, качественно соответствующее предсказаниям теории при Sc = 1 (кривая 5).

Вследствие резкой интенсификации массообмена в этих опытах ВЭТТ уменьшается в 5-7 раз, однако наблюдаемые изменения ВЭТТ выражены достаточно резко только для веществ с малыми значениями к (рис. 12) [125]. Так, для н-бутана (к = 0,1) при увеличении Re от 645 до 6550 ВЭТТ возрастает от 20 до 38 диаметров колонки. Дальнейшее возрастание Re до 10 485 приводит к скачкообразному падению ВЭТТ приблизительно до 5 диаметров колонки, что соответствует полной эффективности колонки 22 500 теоретических колонок. В то же время для н-гексана (к = 1,0) такое изменение соответствовало переходу от 329 до 148 диаметров колонки, т.е. ВЭТТ уменьшалась всего в два раза.

Таким образом, экспериментально доказано, что в области турбулентного течения действительно имеет место значительное снижение ВЭТТ, связанное с резкой интенсификацией радиального массообмена и выравниванием профиля скоростей в капиллярной колонке. Так как эти изменения в наибольшей степени затрагивают объекты с малыми значениями к, хроматографическое разделение в турбулентном потоке может оказаться весьма полезным для экспресс-анализа сложных смесей органических соединений. Следует однако, иметь в виду, что при увеличении скорости газа в колонке до значения, близко-

го к критической области Re = 2300, ВЭТТ возрастает весьма значительно (см. рис. 7), так что повышение эффективности колонки при дальнейшем увеличении скорости подвижной фазы может оказаться недостаточным для того, чтобы скомпенсировать эту уже возникшую потерю ее разделяющей способности.

В заключение этого раздела интересно отметить, что развитая Сматсом, де-Клерком и Преториусом теория хроматографии в турбулентном потоке предсказывает для жидкостей (Sc = 1000) значительно более резкое снижение hm в турбулентной области, чем для газов. В этом случае при малых к ВЭТТ может уменьшаться на пять порядков и достигать значений, оптимальных в ламинарной области. Эта возможность резкого ускорения хроматографического процесса при сохранении его высокой эффективности может быть весьма важной для современных модификаций высокоскоростной жидкостной и сверхкритической хроматографии.

СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИКАПИЛЛЯРНЫХ КОЛОНОК

Степень разделения, характеризующая реально достигнутый результат хроматографического процесса, описывается следующим отношением:

д1=_(3-124) °U2(1> +О1/2(2)

где V; и V, - объемы удерживания, соответствующие двум пикам, или пропорциональные им величины, а а1/2(1) и а1/2(2) - значения ширины этих пиков на середине высоты, выраженные в тех же единицах измерения, что и объемы удерживания.

Для двух близко расположенных пиков, характерных для капиллярной хроматографии,

Я, = Д1//2й|/2,(3-125)

где д1/2 - среднее значение ширины пиков, a AV - расстояние между ними. Когда величина Rs достигает 1, то расстояние между пиками как раз равно их средней ширине, так что разделяющая их впадина почти достигает нулевой линии. В случае двух пиков, близких по площади, это соответствует доле примеси одного компонента в другом, не превышающей 2%. Согласно теории тарелок [126], ширина пика, соответствующего объему удержива-

ния V, равна а0 = 4 У / V», гДе п - число теоретических тарелок колонки. Тогда (3-125) можно записать так:

R,=R,=2(^2-^) УлУ2 + ^ ' 42(^2-^) УлУ2 + ^ ' 4(3-126)(3-126)

R,=

R,=

2(^2-^) Ул

У2 + ^ ' 4

2(^2-^) Ул

У2 + ^ ' 4

(3-126)

(3-126)

Первый сомножитель в правой части, являющийся отношением расстояния между максимумами пиков к их среднему объему удерживания, - степень внутреннего разделения Rin - не зависит от эффективности колонки, а определяется только природой жидкой фазы и свойствами разделяемой пары соединений, т.е. эта величина определяет селективность колонки при разделении данных веществ:

R =Ж^Л2.(3-127)

У1+У2

Второй член определяется только эффективностью колонки, выражаемой числом теоретических тарелок.

Если необходимое для разделения число теоретических тарелок достичь невозможно или затруднительно, стремятся повысить Rin, подбирая более селективную неподвижную фазу. Если же число теоретических тарелок достаточно велико, то желаемое разделение будет обеспечено и на колонке с малоселективной неподвижной фазой. Требуемое значение л можно оценить следующим образом. Преобразуем формулу (3-126), учитывая, что, во-первых,

^2 - Ч = ^-^'=(У2 - Уо)-(^ - Уо), (3-128)

во-вторых, для близко расположенных пиков можно считать

поэтомупоэтому(3-129)(3-130)(3-129)(3-130)У, = У2 = У,

поэтому

поэтому

(3-129)

(3-130)

(3-129)

(3-130)

V 4

Заменяя в (3-130) У2 и У1 в соответствии с (3-128), умножая и де ля на (У2-Уп) и вынося за скобку (У^Уо), получим

(3-131)(3-131)R .[(^-УрЖ"^)]-! У2~Ч Ул(Ч-Уо)^-^) У 4

(3-131)

(3-131)

Ввиду того, что отношение чистых объемов удерживания двух пиков равно их коэффициенту разделения а, а

(3-132)(3-132)Уг-Уо к

(3-132)

(3-132)

V1 + Л

т.к.получимт.к.получим4 = ^(1+^),_ а-1 к ^а 1+Jk 44 = ^(1+^),_ а-1 к ^а 1+Jk 4(3-133)(3-134)(3-133)(3-134)

т.к.

получим

т.к.

получим

4 = ^(1+^),

_ а-1 к ^

а 1+Jk 4

4 = ^(1+^),

_ а-1 к ^

а 1+Jk 4

(3-133)

(3-134)

(3-133)

(3-134)

откуда число теоретических тарелок п, необходимое для разделения двух близких пиков с коэффициентом разделения а и отношением распределения к, равно

rt = 16/?t2f—•—Y. (3-135)

Эта формула, выведенная впервые Пернеллом [127], показывает, что требуемое число теоретических тарелок быстро возрастает не только при a -> 1, т.е. при сближении свойств разделяемых компонентов, но и при снижении к, т.е. при возрастании доли газового объема колонки в объеме удерживания. Этим формула (3-135) существенно отличается от выведенного ранее Глю- кауфом [125] выражения

n = 4R2(—Y, (3-136)

которое совершенно не учитывает каких-либо технических характеристик применяемой колонки. При этом результаты вычисления по формуле (3-135) оказываются всегда выше, чем данные, даваемые выражением (3-136), хотя эта разница быстро уменьшается при увеличении к, становясь весьма незначительной уже при к = 2.

Как видно из рис. 13, при заданных значениях R, и а требуемое число теоретических тарелок быстро растет при уменьшении отношения распределения. Так как для капиллярных колонок характерны малые значения к, выражение их эффективности числом теоретических тарелок оказывается значительно менее удобным, чем в случае наполненных колонок, для которых к обычно не бывает меньше 5-10. При этом величина (А: + 1)Д в уравнении (3-135) оказывается близкой к единице.

В меньшей степени зависит от эксплуатационных характеристик колонки фактор разделения Пернелла или число чистых теоретических тарелок и' [см. уравнение (3-4)]. Для того чтобы оценить эту величину на практике, необходимо знать время удерживания несорбирующегося компонента для данной колонки, что может представлять известные трудности. Поэтому были предложены характеристики разделяющей способности колонок, расчет которых не требует знания точных значений объемов удерживания или параметров элюирования несорбирующих- ся компонентов. Как указано в гл. 1, таким характеристическим параметром Харрелл и Перри [128] предложили считать эффективное число пиков, равное уменьшенной на единицу степени разделения двух последовательных членов какого-либо гомологического ряда (Л,(Л))

ЭЧП = Я^-1. (3-137)

В зависимости от конкретной аналитической задачи названные гомологи могут принадлежать к ряду нормальных углеводородов, олефинов, цикланов, ароматических углеводородов, жирных кислот, спиртов и т.п.

В тех случаях, когда испытуемая колонка обладает малой адсорбционной активностью, значения ЭЧП, полученные для представителей разных гомологических рядов, близки между собой и действительно характеризуют разделяющую способность колонки. Величину, определяемую таким образом, Кайзер [129] предложил называть числом разделения. Несколько .позже Харрелл и Перри [130] предложили пользоваться стандартным эффективным числом пиков (СЭЧП), которое определено так же, как и ЭЧП, однако относится к гомологам нормальных углеводородов, имеющих в данных условиях разделения отношение распределения к > 5. По определению, ЭЧП показывает, сколько компонентов, равноотстоящих по времени удерживания и полностью разделенных между собой, может разместиться между пиками двух последовательных гомологов. Эта величина, помимо характеристик колонки, зависит от природы гомологического ряда и от свойств конкретной пары гомологов, использованной для определения. Поэтому эта пара гомологов должна быть указана особо.

Для последовательных гомологов при 300 К степень внутреннего разделения равна 0,8-1,0 и уменьшается с повышением температуры. Степень внутреннего разделения гомологов не связана с эффективностью колонки и зависит только от температуры разделения и природы жидкой фазы и разделяемых соединений, однако она входит в выражение для ЭЧП, в значительной мере определяя величину этого показателя в данных условиях анали-

Рис. 13. Зависимость числа теоретических тарелок от коэффициента разделения при разных значениях кI - 0,05; 2 - ОД; 3 - 0,5; 4 - 1,0; 5 - 5; 6 - =Рис. 13. Зависимость числа теоретических тарелок от коэффициента разделения при разных значениях кI - 0,05; 2 - ОД; 3 - 0,5; 4 - 1,0; 5 - 5; 6 - =Рис. 14. Зависимость эффективного числа пиков от числа теоретических тарелок колонки. Кривые рассчитаны по уравнениям (3-135)- (3-137)I - Rjn = 0,75; II - Rin = 0,35; о - данные работы [131]; • - данные работы ИЗО]Рис. 14. Зависимость эффективного числа пиков от числа теоретических тарелок колонки. Кривые рассчитаны по уравнениям (3-135)- (3-137)I - Rjn = 0,75; II - Rin = 0,35; о - данные работы [131]; • - данные работы ИЗО]

Рис. 13. Зависимость числа теоретических тарелок от коэффициента разделения при разных значениях к

I - 0,05; 2 - ОД; 3 - 0,5; 4 - 1,0; 5 - 5; 6 - =

Рис. 13. Зависимость числа теоретических тарелок от коэффициента разделения при разных значениях к

I - 0,05; 2 - ОД; 3 - 0,5; 4 - 1,0; 5 - 5; 6 - =

Рис. 14. Зависимость эффективного числа пиков от числа теоретических тарелок колонки. Кривые рассчитаны по уравнениям (3-135)- (3-137)

I - Rjn = 0,75; II - Rin = 0,35; о - данные работы [131]; • - данные работы ИЗО]

Рис. 14. Зависимость эффективного числа пиков от числа теоретических тарелок колонки. Кривые рассчитаны по уравнениям (3-135)- (3-137)

I - Rjn = 0,75; II - Rin = 0,35; о - данные работы [131]; • - данные работы ИЗО]

за. Взаимосвязь ЭЧП и Rin при различных значениях эффективности колонки [106] показана на рис. 14, из которого видно, что в зависимости от Ritt значения числа теоретических тарелок,соответствующие одинаковым величинам ЭЧП могут различаться на один порядок величины.

На рис. 14 приведены теоретические кривые при Rin = 0,75 и 0,35, а также экспериментальные результаты работ [130, 131]. Величина Rin = 0,75 близка к максимальной, наблюдаемой в экспериментах. Чаще всего Rir оказывается величиной, близкой к 0,35, что соответствует среднему значению этой величины для нанесенных на график точек. Наибольшее значение ЭЧП достигнуто Полгаром, Холстом и Гронингсом [131] на колонке, имевшей эффективность около 160 тыс. т.т.

Обычно пики не расположены строго равномерно. Это приводит к тому, что между пиками двух последовательных гомологов могут находиться не больше 1/3 ЭЧП случайно расположенных неперекрывающихся между собой компонентов [132]. Однако в связи с тем, что в реальных системах возможно значительное перекрывание соседних пиков, при анализе сложных многокомпонентных смесей число наблюдаемых пиков между пиками двух последовательных гомологов может быть близким к ЭЧП или даже превышающим эту величину. Сходный параметр Z„^, учитывающий расширение пиков при увеличении времени удерживания, предложил Штруппе [133]. Число пиков, которые могут

уместиться на хроматограмме между пиками двух данных компонентов пите учетом расширения пиков при увеличении времени удерживания, равно

(3-138)

Для облегчения расчетов величины Znm предложена специальная номограмма [133].

Можно охарактеризовать также и полное число пиков, которые могут разместиться на всем протяжении данной хроматограммы, от ее начала до компонента Z с учетом их непрерывного расширения. Такая характеристика, также предложенная Штруппе [133], выражается довольно сложной формулой, включающей параметры удерживания двух произвольных компонентов на хроматограмме:

(3-139)(3-139)! Ч-Ч / ! 1+(а2-д|)/(т2-т,)ё т2(а, / ст2)]/ [ 61 - (с3 - ст,) /(т2 - т,)

(3-139)

(3-139)

Два последние параметра вследствие длительности их расчета не получили распространения.

Таким образом, наиболее рациональными характеристиками эффективности капиллярной колонки в настоящее время представляются общее число теоретических тарелок, фактор разделения Пернелла, выраженный числом чистых (эффективных) теоретических тарелок п', и эффективное число пиков ЭЧП для гомологов с к > 5. Второй из этих параметров требует знания времени удерживания несорбирующегося компонента в данных условиях хроматографического разделения. Способы оценки этой величины при работе с капиллярными колонками изложены в следующем разделе.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ УДЕРЖИВАНИЯНЕСОРБИРУЮЩЕГОСЯ КОМПОНЕНТА ПРИ РАБОТЕС КАПИЛЛЯРНЫМИ КОЛОНКАМИ

Оценка времени удерживания несорбирующегося компонента (т0) имеет особое значение в случае капиллярных колонок, т.к. обычно при работе с ними вклад этой величины в общее удерживание разделяемых веществ весьма велик. Поэтому в отличие от наполненных колонок рабочие характеристики капиллярных колонок, вычисленные без учета времени удерживания несорбирующегося компонента, не позволяют получить однозначную и

объективную информацию об их качестве и о том, в какой мере реализуются их потенциальные возможности.

В тех случаях, когда детектирующая система обеспечивает регистрацию неудерживаемых колонкой компонентов, определение точного момента их элюирования не представляет затруднений. Так при повышенных температурах перманентные газы и диоксид углерода могут быть удобными для этой цели веществами. если использовать детектор по теплопроводности или сечению ионизации. Сернистый ангидрид или сероводород применимы при наличии пламенно-фотометрического или хемилюминесцентного детектора.

Использование аргонового ионизационного и наиболее широко распространенного при работе с капиллярными колонками пламенно-ионизационного детекторов, которые чувствительны к соединениям, содержащим неокисленный углерод, сопряжено с известными трудностями при оценке Ту. Пожалуй, единственным веществом, регистрируемым этими детекторами, сорбционной способностью которого в области температур, превышающих 0°С, можно пренебречь, является метан, хотя в ряде работ [134, 135] указано на наличие заметного удерживания этого соединения даже при температурах выше 100°С. Тем не менее, описаны устройства для точного дозирования метана с целью определения мертвого времени и градуировки детекторов [136]. Однако при использовании пламенно-ионизационного детектора часто применяют косвенные способы оценки т(|.

В простейшем случае исходят из геометрического объема применяемой колонки и измеряемой на ее выходе объемной скорости газа. Важным условием получения правильного результата является пренебрежимо малое пневматическое сопротивление детектора. Этот вопрос подробнее рассмотрен ниже, при описании особенностей различных детектирующих систем, применяемых в сочетании с капиллярными колонками. Величина т(), вычисленная из геометрических размеров колонки, может заметно отличаться от наблюдаемой экспериментально вследствие неполного учета объемов дозирующего устройства, коммуникаций, соединительных элементов и т.п. Наиболее часто при оценке тп используют линейную зависимость чистых объемов удерживания гомологов от числа атомов углерода в них, которая хорошо соблюдается в случае газо-жидкостной хроматографии для веществ, принадлежащих к различным гомологическим рядам. При этом, как отмечено в главе 1,

In V' =+ Const,(3-140)

' RT

что легко записать для времени удерживания следующим обра

зом:зом:^ = plg(T.-T0) + $,^ = plg(T.-T0) + $,(3-141)(3-141)

зом:

зом:

^ = plg(T.-T0) + $,

^ = plg(T.-T0) + $,

(3-141)

(3-141)

где р и q - константы, включающие соответствующие термодинамические параметры растворения и экспериментальные поправки. Для того чтобы найти три неизвестные величины: р, q и т0, необходимо иметь три независимых уравнения вида (3-141). Эти уравнения легко составить при наличии данных для трех членов гомологического ряда с числом атомов углерода i, i ит. Записывая для этих компонентов уравнения (3-141)

i = plg(T.-T0) + 9;

/ = plg(T,-T0)-t-^;(3-142)

m = plg(Tm -т0) + д

и исключая р и q, получим уравнение, содержащее только один неизвестный параметр т0:

(3-143)(3-143)(3-144)(3-144)^Lzl = u laI» /|gIl_Eo/-/ тЛ-т0 / ет,-т0

(3-143)

(3-143)

(3-144)

(3-144)

причем

т - / = I - i.

Если, например, для определения взяты три последовательных члена гомологического ряда, то

откуда легко найти т():

^zZ = |-(3-145)

l-i

Tm ~Т0 _ ^1 ~%

т/"то т,-т0(3-146)

Ч^"^ ,(3-!47)

гт+т;-2т/

Полученное соотношение, действительное и для объемов удерживания и для соответствующих им отрезков на хроматограмме, составляет суть метода оценки т0, предложенного Петерсоном и Хиршем [137] (рис. 15).

Вычисления в этом методе могут быть упрощены, если при измерении отрезков на хроматограмме отсчитывать их длину от

рис. 15. Упрощенный способ оценки времени удерживания несорбирующегося компонента

оси пика среднего компонента I (рис. 15). Легко видеть, что в этом случае

X X

^о^-тт^тг,(3-148)

где X, и Хт — отрезки между максимумами пиков компонента I и компонентов m и i (см. рис. 15).

Метод Петерсона и Хирша может быть использован только при выполнении условия (3-144). От этого ограничения свободен метод Голда [138], включающий графическое решение системы уравнений (3-142). Эту систему записывают в форме

A =(/-0/lg^—

(3-149) р2 =(m-/)/lg^^-.

Задаваясь различными значениями Tq, строят графики р = /(т0). Точка пересечения графиков дает общее решение системы (3- 149), то есть истинное значение искомого времени удерживания несорбирующегося компонента. Такой способ решения системы (3-142) позволяет использовать три гомолога с любым числом атомов углерода, пики которых могут быть зарегистрированы на одной хроматограмме. Сходный способ описан в работе [139].

Рассмотренные методы позволяют определять время удерживания нерегистрируемого детектором несорбирующегося компонента с точностью до 0,2—0,3%, что удовлетворяет большинству требований, предъявляемых практикой. Ввиду того, что в изотермических условиях на одной хроматограмме обычно могут быть зарегистрированы пики 5-6 членов гомологического ряда, наиболее приемлемым является метод Петерсона и Хирша с тремя последовательными или различающимися на два атома углерода гомологами.

СОПОСТАВЛЕНИЕОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИККАПИЛЛЯРНЫХ И НАПОЛНЕННЫХ КОЛОНОК

По сравнению с наполненными колонками капиллярные колонки имеют, помимо чисто конструктивных особенностей, ряд весьма существенных отличий, которые определяются различной физической природой сил, вызывающих расширение хроматографической зоны. При этом в случае капиллярных колонок этот процесс легче поддается контролю. Движение газа-носителя в колонках без наполнителя сопровождается значительно меньшими энергетическими потерями, чем движение его в заполненных пористым материалом трубках с той же величиной свободного сечения. Это находит свое отражение в том, что значения показателя эффективности, определяемого выражением (3-93), для наполненных колонок оказываются в 10-100 раз большими, чем для капиллярных.

Голей указывает: “...Я ошибочно пользовался термином “капиллярные колонки"... Не малая величина сечения, а отсутствие заполнения в полых трубчатых колонках позволяет улучшить на два порядка показатель эффективности по сравнению с наполненными колонками. В самом деле, можно полагать, что отличные значения показателя эффективности могут быть получены при разделении веществ в трубе газопровода диаметром 600 мм и протяженностью от Техаса до Мэна’, если его внутренняя поверхность покрыта жидкой фазой" [141].

Хотя приведенная цитата указывает на неудачный характер термина “капиллярные колонки", это название будет и далее применяться в настоящей книге, т.к. оно прочно вошло в терминологическую практику научной литературы и в большинстве случаев не вызывает недоразумений. Вместе с тем, этот термин понимается здесь строго в соответствии с приведенным выше замечанием Голея. Это уточнение должно исключить путаницу, связанную с применением колонок малого диаметра, заполненных сорбентом. Такие колонки, часто называемые “микронаса- ^очными” или “микронаполненными", были рассмотрены в гл. 2. По своим физическим характеристикам они, несомненно, являются не более чем вариантом обычных наполненных колонок.

Наиболее явно различие между характеристиками наполненных и капиллярных колонок проявляется при сравнении величин р - отношений объемов газообразной и жидкой фаз в колонке. По данным ряда исследователей [142-144], эта

* Около 3000 км.

Рис. 16. Зависимость коэффициента р от толщины пленки жидкой фазы для колонок диаметром / - 0,125 мм; 2 - 0,25 мм; 3 - 0,5 мм; 4-0,775 мм величина для наполненных колонок составляет 6-30, лишь в редких случаях 50-60 (для колонок с очень малым содержанием жидкой фазы). Напротив, для капиллярных колонок характерны значения р, превышающие 50, а часто достигающие 500-1000 [145]. Полагая, что колонка имеет строго цилиндрическую форму и идеально

Р =Р =А MfА Mf(3-150)(3-150)гладкую поверхность, можно рассчитать коэффициент р для заданного диаметра капилляра dc и толщины пленки ф

Р =

Р =

А Mf

А Mf

(3-150)

(3-150)

(3-151)(3-151)Учитывая, что id^dj ^ 1, получимр=^--1

(3-151)

(3-151)

Результаты расчетов Р по формуле (3-151)) для наиболее часто встречающихся типов колонок приведены на рис. 16. Ввиду того, что в практике работы с капиллярными колонками наиболее обычные значения толщины пленки лежат в пределах 0,2-2 мкм, соответствующие значения р составляют 1500-250. Следовательно, согласно уравнению (3-4), число теоретических тарелок, формально определяемых соотношением (3-136) и требующихся для достижения степени разделения Rs, при одном и том же коэффициенте разделения ft, будет для капиллярных колонок заметно большим и быстро увеличивающимся в области малых значений к. В то же время число чистых (эффективных) теоретических тарелок, которое можно выразить из формул (3-4) и (3-135) следующим образом:

л' = 16й;|-Н-j ,ка-ил' = 16й;|-Н-j ,ка-и(3-152)(3-152)

л' = 16й;|-Н-j ,ка-и

л' = 16й;|-Н-j ,ка-и

(3-152)

(3-152)

Таблица 1

Число теоретических тарелок л для Я, = 1 при различных значениях о и к

к

а = 1,01

п' =163 200

а = 1,02

я'= 41 616

а = 1,03

п' = 18 700

а =1,05

и' = 7070

а = 1,10 п'= 1940

а = 1,20

и' = 576

0,05

71 978 260

18 500 000

8 050 000

3 120000

985 700

254 000

0.I0

19 749 140

5 050 000

2 260 000

856 000

234 256

69 800

0,20

5 875 776

1 505 000

674 000

255 000

70 000

20750

0,30

3 017 834

773 000

346 000

131000

35 900

10650

0,50

1 468 944

377 000

168 000

63 630

17 424

5 180

0,75

888 620

226 000

101 500

38416

10540

3 110

1,00

652 864

166 800

74 800

28 221

7 744

2314

1,50

453378

115 000

51 400

19 600

5 378

1 585

2,00

367 236

94 000

42 100

15 876

4 356

1 295

2,50

319 903

8! 800

36 600

13 830

3 795

1 130

3,00

290144

73 500

32 900

12480

3 520

1 010

5,00

235 031

59 300

26 600

10 161

2 788

818

7,50

209 642

53 000

23 750

9063

2 487

752

10,00

197 491

50000

22 400

8 538

2 343

692

30,00

173 400

44400

19 800

7 500

2 060

611

не зависит от абсолютной величины коэффициентов к и р и остается одинаковым и для наполненных, и для капиллярных колонок. Интересно отметить, что при больших к и близких к единице значениях а требуемое число чистых теоретических тарелок становится почти равным числу теоретических тарелок, определяемых соотношением Глюкауфа (3-136). Некоторые значения числа теоретических тарелок, рассчитанные по уравнению (3- 135), и чистых теоретических тарелок, требующихся для разделения веществ, имеющих коэффициент разделения а при /?s = I, приведены в табл. 1.

Из табл. 1 видно, что при уменьшении а до 1,01-1,03 требуемое число теоретических тарелок становится очень большим. В то же время, именно эта область значений а характерна для разделений, осуществляемых с помощью капиллярных колонок. С другой стороны, л быстро растет при снижении коэффициента к. Как будет показано, реально достижимые значения м' составляют 30-40 тыс. теоретических тарелок, что позволяет разделять смеси веществ с коэффициентом а > 1,02. Учитывая, что капиллярные колонки применяются почти исключительно для целей анализа и что достаточно полная информация о количественном составе смеси может быть получена уже при степени разделения пиков /?ь = 0,4, минимально требуемые значения эффективности колонок могут быть меньше величин, указанных в табл. 1, примерно в 5-6 раз.

Таким образом, реально достижимым пределом аналитических возможностей колонки может быть разделение смеси двух

компонентов, различающихся на 1% по величине чистого времени удерживания и имеющих время удерживания в 2-3 раза превышающее Т(). В то же время, сопоставляя требуемые числа теоретических тарелок для разных к при одном и том же значении а, можно видеть, что капиллярные колонки при прочих равных условиях требуют большего их числа, чем наполненные. Так, при значении коэффициента а = 1,10, близком к предельному для наполненных колонок, число тарелок, при к = 5, составляет 2 788, при к = 0,5 возрастает до 17 424. Однако эти более высокие значения общего числа теоретических тарелок могут быть достигнуты с помощью капиллярных колонок в большинстве случаев с меньшими трудностями, чем требуемые при работе с наполненными колонками. Записывая уравнение (3-135) для капиллярной и наполненной колонок и полагая достигаемую степень разделения Rs для обеих колонок одинаковой, получим после деления одного уравнения на другое:

(3-153)(3-153)п^_ кр (1 +М«р /с(1 + *р)

(3-153)

(3-153)

где индексы сир относятся к капиллярной и наполненной колонкам, соответственно.

Члены с а сократятся, так как этот параметр при постоянной температуре не зависит от коэффициента р. Так как

(3-154)(3-154)(3-155)(3-155)Г *12 л+^.Г *12 л+^.М^е^р

(3-154)

(3-154)

(3-155)

(3-155)

Г *12 л+^.

Г *12 л+^.

Рс(1+/:,)

«Р [Рр(1 + ^р)_

Для веществ, элюируемых из наполненных колонок не слишком быстро, т. е. имеющих достаточно большой коэффициент распределения К, в первом приближении можно считать, что В < К. Тогда

п„ I К ) ( К J ( к€ ) ’п„ I К ) ( К J ( к€ ) ’(3-156)(3-156)

п„ I К ) ( К J ( к€ ) ’

п„ I К ) ( К J ( к€ ) ’

(3-156)

(3-156)

Так как вследствие больших величин Р, кс в капиллярной колонке имеет значение 0,5-1,0 и менее, число тарелок, требуемое в этом случае, оказывается в 10-100 раз большим, чем при работе с наполненными колонками. Это соотношение несколько завышено, однако опыт показывает, что для достижения одинакового

разделения на наполненных и капиллярных колонках эффективность последних должна быть в три-четыре раза больше. Однако на капиллярных колонках можно получить не только минимально необходимые значения эффективности, но и значительно большие, обеспечивающие разделение близких по своим свойствам органических соединений. Например, относительно легко достижимое значение эффективности 5 • 104 т.т. при величине отношения распределения к = 1,5 соответствует числу чистых теоретических тарелок

п' = 5-104[1,5/(1 + 1,5)]2 =18 000, (3-157)

что трудно достижимо при использовании наполненных колонок.

Важной особенностью капиллярных колонок является их малое сопротивление потоку подвижной фазы. Из данных предыдущих параграфов следует, что удельная проницаемость капиллярных колонок связана с их радиусом следующим образом:

80 = г02/8. (3-158)

При этом для колонок диаметром 0,25 и 0,5 мм получаются значения В(), равные 1,95 10-5 и 7,81 ■ 10-3 см соответственно. Эти величины примерно в 100 раз превышают значения проницаемости колонок, заполненных частицами твердого носителя, размером 80-100 меш (0,15-0,18 мм) [145]. Поэтому при одинаковой длине и близких значениях скорости газа-носителя перепад давлений на капиллярных колонках оказывается на один-два порядка меньше, чем на наполненных колонках. Из следующего примера можно видеть, что это означает. При разделении смеси ацетона и его полностью дейтерированного аналога (гексадейтероацетона) на колонке с полидиметилсилоксаном коэффициент разделения а составляет 1,023 [146]. Минимальное число теоретических тарелок, требуемое для обеспечения степени разделения R, = 0,5 при использовании наполненной колонки с к = 10, составляет 10 тыс. теоретических тарелок при расчете по формуле (3-135); при к = 0,5 получаем п * 72 тыс. теоретических тарелок. Если удельная эффективность наполненной колонки около 1000 т.т. на 1 м ее длины, что соответствует значениям ВЭТТ около 1 мм, то для разделения потребуется колонка длиной не менее 10 м, причем при практически приемлемых значениях времени удерживания перепад давления на этой колонке будет равен 10-15 кг/см2. С другой стороны, капиллярная колонка даже при той же удельной эффективности (1000 т.т. на 1 м длины) будет иметь длину 75-100 м и перепад давления на ней не будет превышать 1-2 кг/см2, что легко достижимо при использовании самой обычной хроматографической аппаратуры.

Рис. 17. Разделение последовательных гомологов на различных капиллярных (тонкие штрихи) и наполненных (жирные штрихи) колонках

и - полная величина разделения; б - разделение с учетом длительности анализа. Цифры на диаграмме указывают следующие литературные источники: /, 2 - [ 153]; 5-5 - [ I54]; б - (150]: 7, /2.20.21,23-25,27,28, 30 - (134]; 8 - [ 145]; 9 - [156]; 10 -[157]; //-[158]; /3-[151]; 14 -[158]; 15, 22-[152]; 16 -[159]; 17- [160]; 18 - [161]; 19 - [162]; 26. 29 - [163]

Таким образом, сопоставление важных в практическом отношении характеристик капиллярных и наполненных колонок показывает, что на капиллярных колонках можно сравнительно легко достигать таких значений эффективности разделения, которые при использовании наполненных колонок требуют более высоких значений перепада давления, часто находящихся за пределами возможности современной аппаратуры. Нельзя исключить, что в будущем, когда станут обычными приборы, обеспечивающие работу при давлениях на входе в колонку 50-100 кг/см2, преимущества капиллярных колонок станут менее существенными. В этом случае имеется определенная вероятность, что они уступят место значительно легче воспроизводимым наполненным колонкам достаточно большой длины.

Сопоставление различных параметров капиллярных и наполненных колонок провел Штруппе [105,134,147]. Сравнение опубликованных данных о значениях ЭЧП для колонок обоих типов показало следующее. В большинстве случаев величина ЭЧП для наполненных колонок не превышает 20, составляя обычно 6-17. Лишь в работах Скотта [148], Халаша и Хейне [149] и в более позднее время Брунера с соавторами [150] были получены более высокие значения ЭЧП (25-30). С другой стороны, капиллярные

колонки позволяют достичь значений ЭЧП, превышающих 30, 40 и даже 80 [133, 137, 147, 148, 151, 152]. Полная эффективность газохроматографических колонок, выраженная величиной ЭЧП, растет с увеличением времени анализа (рис. 17). С другой стороны, величина ЭЧП, рассчитанная с учетом времени анализа [ЭЧП(т)] остается примерно постоянной при любой его длительности и не превышает 10-13. Однако из рис. 17 также видно, что капиллярные колонки позволяют достигать лучшего разделения в течение заданного времени. Эта их особенность связана именно с их большей проницаемостью и меньшим сопротивлением течению газового потока.

ВЛИЯНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ПРОБЫНА ПАРАМЕТРЫ РАЗДЕЛЕНИЯВ КАПИЛЛЯРНОЙ КОЛОНКЕ

Теоретический анализ работы газохроматографических колонок обычно проводят, считая, что исходная ширина зоны, разделяемой в колонке, исчезающе мала по сравнению с шириной зоны на выходе. Распространение выводов теории на реальные процессы требует оценки снижения эффективности разделения, вызываемого конечным значением ширины исходной хроматографической зоны. Изучение этого вопроса проводили Глюкауф [125, 164], Ван-Деемтер, Цудервег и Клинкенберг [165], Гиддингс [166], Кейлеманс [167] и другие авторы [168-171]. Основные результаты этих исследований можно представить следующим образом.

колонке и равнойколонке и равнойc^V^HJUc^V^HJUЕсли проба входит в колонку в объеме газа-носителя ДУ,, с гауссовским распределением концентраций, то стандартное отклонение этого распределения можно выразить величиной &VJ4. Дисперсия распределения, равная квадрату этой величины, должна быть прибавлена к дисперсии полосы, соответствующей размыванию под действием обычных диффузионных процессов в

колонке и равной

колонке и равной

c^V^HJU

c^V^HJU

(3-159)

где Ht - ВЭТТ при бесконечно малой пробе. Складывая диспер

сии, получимсии, получим_ -2 °сГГ - °г_ -2 °сГГ - °г(3-160)(3-160)

сии, получим

сии, получим

_ -2 °сГГ - °г

_ -2 °сГГ - °г

(3-160)

(3-160)

С другой стороны, эффективность колонки при данном объеме

пробы можно

выразить наблюдаемым значением ВЭТТ:

L J V У

(3-161)

откуда

° err = ^ НеП / £,

(3-162)

тогда

cff 1 1б( V )

(3-163)

Относительное увеличение высоты тарелки теперь можно выразить следующим образом:

нй«-нс//снй«-нс//сzk№Y1б1 V J ‘zk№Y1б1 V J ‘(3-164)(3-164)

нй«-нс

//с

нй«-нс

//с

zk№Y

1б1 V J ‘

zk№Y

1б1 V J ‘

(3-164)

(3-164)

Полученное уравнение показывает, что при заданном объеме пробы AVS относительное изменение ВЭТТ тем больше, чем выше эффективность колонки, выражаемая полным числом теоретических тарелок п. Вследствие того, что капиллярные колонки имеют значительно большее число тарелок, чем обычные, их эффективность с увеличением пробы падает существенно быстрее.

Это обстоятельство предъявляет весьма жесткие требования к дозирующим и детектирующим устройствам хроматографов с капиллярными колонками. Эти вопросы подробно рассматриваются далее в разделах, посвященных аппаратуре для капиллярной хроматографии. Кроме того, относительная потеря эффективности сказывается прежде всего на форме пиков компонентов, имеющих небольшие объемы удерживания, тогда как пики, элюируемые позже, остаются значительно более узкими. Это означает, что если измерять величину вводимой пробы в относительных единицах, равных 7ЙДТТ/У, то для всех разделяемых веществ относительное изменение ВЭТТ должно быть одинаковым. Действительно, для наполненных колонок этот вывод был подтвержден экспериментально [166], На рис. 18 представлена соответствующая теоретическая зависимость, найденная Ван-Де- емтером, Цудервегом и Клинкенбергом [165], вместе с экспериментальными данными [169] для нормальных алканов С5-Ск. Авторы работы [165] полагали допустимой величину пробы, соответствующую увеличению ВЭТТ на 2%. Глюкауф [125, 164] считал возможным увеличение ВЭТТ на 5%, а Кейлеманс [167] - да-

Рис. 18. Зависимость относительного увеличения ВЭТТ от величины пробы для нормальных алканов Сэ-Сн на колонке с Апиезоном L/ - теоретическая кривая; 2,3- экспериментальные кривые, полученные при температурах колонки 30 и 120 °C, соответственно. Разными значками обозначены результаты четырех серий опытовРис. 18. Зависимость относительного увеличения ВЭТТ от величины пробы для нормальных алканов Сэ-Сн на колонке с Апиезоном L/ - теоретическая кривая; 2,3- экспериментальные кривые, полученные при температурах колонки 30 и 120 °C, соответственно. Разными значками обозначены результаты четырех серий опытов

Рис. 18. Зависимость относительного увеличения ВЭТТ от величины пробы для нормальных алканов Сэ-Сн на колонке с Апиезоном L

/ - теоретическая кривая; 2,3- экспериментальные кривые, полученные при температурах колонки 30 и 120 °C, соответственно. Разными значками обозначены результаты четырех серий опытов

Рис. 18. Зависимость относительного увеличения ВЭТТ от величины пробы для нормальных алканов Сэ-Сн на колонке с Апиезоном L

/ - теоретическая кривая; 2,3- экспериментальные кривые, полученные при температурах колонки 30 и 120 °C, соответственно. Разными значками обозначены результаты четырех серий опытов

же на 10%. Последнее значение представляется действительно предельно допустимым. В таком случае

п Г дч V1б( У )п Г дч V1б( У )= 0,1,= 0,1,(3-165)(3-165)

п Г дч V

1б( У )

п Г дч V

1б( У )

= 0,1,

= 0,1,

(3-165)

(3-165)

откуда

ду, = у^ТбИой = vnv№.(3-166)

(3-167)(3-167)В более общем виде можно выразить размывание вводимой пробы следующим образом [167]

(3-167)

(3-167)

ДЧ = аЛ«^,

где «л - константа, определяющая величину относительного увеличения Н; Ус(Г - эффективный объем теоретической тарелки в колонке, равный

(3-168)(3-168)У У,

(3-168)

(3-168)

Чгг = U +KV; = — + К —,* п п

где и, и и, - объемы газа и жидкости в пределах одной тарелки;

Vc - объем газа во всей колонке; V, - объем жидкой фазы в ней. Отсюда

(3-169)(3-169)а т.к. УД1 + £) - У, тоа т.к. УД1 + £) - У, тоДУ,=а4У/^.ДУ,=а4У/^.(3-170)(3-170)V^-V^ln,

(3-169)

(3-169)

а т.к. УД1 + £) - У, то

а т.к. УД1 + £) - У, то

ДУ,=а4У/^.

ДУ,=а4У/^.

(3-170)

(3-170)

(3-171)(3-171)(3-175)(3-175)ДУ, »0,5d2U(a-l).ДУ, »0,5d2U(a-l).(3-176)(3-176)

(3-171)

(3-171)

(3-175)

(3-175)

ДУ, »0,5d2U(a-l).

ДУ, »0,5d2U(a-l).

(3-176)

(3-176)

Сравнивая формулу (3-166) и (3-170), легко видеть, что для рассмотренного выше случая 10%-ной потери эффективности

а* = 1,27.

Интересно сопоставить максимально допустимое количество пробы с величиной, на которую число теоретических тарелок колонки отличается от минимальной эффективности, необходимой для данного разделения. Если первоначальная эффективность колонки пс на 10% превышает минимальное число теоретических тарелок, nrq, требуемое для обеспечения степени разделения Rs двух близких веществ, имеющих коэффициент разделения а и наименьшее отношение распределения к, то по уравнению (3-163)

А.мс(Г

b4ff«df

т. е. nf = 1,1исГГ = 1,1л,т Тогда, находя п^ по уравнению (3-135), получим (при к > 1)

ДУ -Уй^а J)

Заменяя газовый объем капиллярной колонки близким к нему геометрическим объемом itd^LIA и учитывая, что в знаменателе а =: 1, a R^ отвечает минимально допустимому в условиях анализа значению 0,5, придем к простому выражению

Полученный результат показывает, что допустимая величина пробы быстро увеличивается с возрастанием длины капиллярной колонки и отношения распределения сорбата. Еще быстрее вели-

Рис. 19. Зависимости числа теоретических тарелок (/), высоты пика h (2) и его площади S (3) от величины пробы н-гексана [155]. Капиллярная колонка со скваланом, длина 100 м, диаметр 1,55 мм. Температура 50 °C; скорость газа- носителя (гелия) 60 мл/мин

чина пробы растет при увеличении диаметра капиллярной трубки. С другой стороны, допустимая величина пробы быстро падает с приближением коэффициента разделения а к единице.

С практической точки зрения можно считать предельно допустимой такую величину пробы, выше которой нарушается линейная зависимость от ДУ5 высоты пика при условии сохранения линейности изменения его площади. Влияние величины пробы на число теоретических тарелок, высоту пика и его площадь видно из рис. 19. Отметка А на графиках отвечает изменению эффективности на 10 % по Кейлемансу [167] (AVS = 0,4 мкл). Отметка Б соответствует такой величине пробы, при которой нарушается ее линейная связь с высотой пика (Д^ = 1,2 мкл). В то же время легко видеть, что площадь пика линейно зависит от объема пробы вплоть до 5 мкл. Соотношение (3-176) показывает, что величина предельно допустимой пробы снижается пропорционально квадрату диаметра колонки. Поэтому при переходе от экспериментально найденных в этом примере значений к соответствующим характеристикам колонок меньшего диаметра, например 0,25 мм, получатся величины пробы, меньшие на 1,5-2 порядка величины (0,005 и 0,03 мкл). Понятно, что столь малые пробы не могут быть введены непосредственно и требуют применения ряда специальных приемов, описанных далее.

ЛИТЕРАТУРА

Goias MJ.E. // Anal. Chern. 1957. Vol. 29. P. 928.

Goias MJ.E. // Nature. 1957. Vol.180. P. 435.

Ettre L.S. H Open tubular columns in gas chromatography. N.Y.: Plenum press, 1965.

Go/oy MJ.E. // Gas chromatopraphy, 1957 / Ed. V.J. Coates et al. N.Y.: Acad, press, 1958. P. 36.

Galay MJ.E. // Gas chromatography, 1958 / Ed. D.H. Desty. L.: Butterworths, 1958. P. 36. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография. М.: Изд-во иностр, лит., 1961. С. 39.

Dijkstra G., De Goey J, // Ibid. P. 55-68. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография. М.: Изд-во иностр, лит., 1961. С. 61.

McWilliam J.C., Dewar RA. //Natureio 1958. Vol. 181юР. 1664.

Lovelock J.E. // Ibid. Vol. 182. P. 1663.

Ryce SA., Bryce WA. //Canad. J. Chem. 1957. Vol. 35. P. 1293.

Desty D.H. Ц Gas chromatographic, 1958 / Ed. H.-P. Angele. B.: Akad.- Verl., 1959. P. 176.

Desty D.H., Goldup A., Whyman B.H.F. // J. Inst. Petrol. 1959. Vol. 45. P. 287.

Scott R.P.W. // Nature. 1959. Vol. 183. P. 1753.

Zlatkis A., Kaufman H.R. // Ibid. Vol. 184. P. 2010.

Purnell J.H. Ц Ibid. P. 3009.

Desty D.H., Haresnape JM., Whyman B.H.F. H Anal. Chem. I960. Vol. 32. P. 302.

Bruner F„ Cartoni G., Liberti A. // Chim. indy str. 1962. Vol. 44. P. 999.

Halasz L, Schneider IV. // Anal. Chem. 1961. Vol. 33. P. 978.

Teranishi R., Nimmo C.C., Corse J. //Ibid. 1960. Vol. 32. P. 1384.

Kelley J.D„ Walker J.Q. Ц Ibid. 1969. Vol. 41. P. 1340.

Ettre L.S., Cieplinski E.IV., Averill IV. // J. Gas chromatogr. 1963. Vol. 1. P. 7.

Jentzsch D., Hovermann IV. H J. Chromatogr. 1963. Vol. 11. P. 440.

Halasz L, Horvath С. Ц Anal. Chem. 1963. Vol. 35. P. 499.

Halasz L, Horvath С. 11 Nature. 1963. Vol. 197. P. 71.

Grob К. 11 Helv. chim. acta. 1965. Vol. 48. P. 1362.

Ettre L.S., Purcell J.E., Norem S.D. // J. Gas chromatogr. 1965. Vol. 3. P. 181.

Golay MJ.E. Ц Gas chromatography, 1960 / Ed. R.P.W, Scott. L.: Butterworths, 1960. P. 130. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография. М.: Мир, 1964, С. 187.

Scott R.P.W,, Hazeldean G.S.F. // Ibid. P. 144, Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография. М.: Мир, 1964. С. 195.

Desty D.H., Goldup А. И Ibid. Р. 165. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография. М.: Мир, 1964. С. 220.

Pat, 834390 (Gr. Brit.). Pabl. 1960.

Scott R.P.W. //Nature. 1960. Vol. 185. P. 312.

Scott R.P.W., Cumming C.A. // Gas chromatography, 1960 / Ed. R.P.W. Scott. L.: Butterworths, 1960. P. 20. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография. М.: Мир, 1964, С. 159.

Dorsey .LA., Hunt R.H., O’Neal MJ. // Anal. Chem. 1963. Vol. 35. P. 511.

Teranishi R.. Corse J.W., McFadden W.H. et al. // J. Food Sci. 1963. Vol. 28. P. 478.

Varadl P.F., Ettre K. // Anal. Chem. 1962. Vol. 34. P. 1417.

Henneberg D., Shomburg G. // Gas chromatography, 1962 / Ed. M. van Swaay. L.: Butterworths, 1962. P. 191.

McFadden W.H., Teranishi R., Black D.R., Day J.C. H J. Food. Sci. 1963. Vol. 28. P. 316.

Ryhage R. H Anal. Chem. 1964. Vol. 36. P. 759.

Ryhage R., Wikstrom S„ Waller G.R. // Ibid. 1965. Vol. 37. P. 435.

Vollmin J.A. // Chromatographia. 1970. Vol. 3. P. 238.

Grab K„ Grob G. HL Chromatogr. 1971. Vol. 62. P. 1.

Ziatkis A., Lichtenstein HA., Tishbee A. // Chromatographia. 1973. Vol. 6. P. 67.

Lao R.C., Thomas R.S., Monkman J.L. // Intern. J. Environ. Anal. Chem. 1972. Vol. 1. P. 187.

Lao R.C., Thomas R.S., Oja H, Dubois L. // Anal. Chem. 1973. Vol. 45. P. 908.

Purcell J.E„ Eure L.S. H J. Gas Chromatogr. 1966. Vol. 4. P. 23.

Mohnke M., Sajjert IP. // Chem. Technol. 1961. Vol. 13. P. 685.

Mohnke M„ Sajjert IP. // Gas chromatography, 1962 / Ed. M. van Swaay. L: Butterworths, 1963. P. 216.

Petitjean D.L., Lejtauit CJ., Jr. И J. Gas Chromatogr. 1963. Vol. 1. P. 18.

Schwartz R.D., Brasseaux D.J., Shoemake G.R. И Ibid. P. 32.

Schwartz R.D., Brasseaux D..L, Shoemake G.R. // Anal. Chem. 1963. Vol. 35. P. 496.

Halacz L, Gerlach H.-O. // Ibid. 1966. Vol. 38. P. 281.

Goretti G.. Liherti A., Nota G. // J. Chromatogr. 1968. Vol. 34. P. 96.

Goretti G., Liherti A., Nota G. H Gas chromatography, 1968 / Ed. C.L.A. Harboum. L: Inst. Petrol., 1969. P. 23. Discuss.: p. 30.

Витт C.B., Бондарев В.В., Полинин ВЛ. Ц Изв. АН СССР. Сер. хим. 1964. №5. С. 1145.

Калмановский В.И., Киселев А.В., Лебедев В.Р. и др. П Газовая хроматография. М.: Наука, 1964, С. 157.

Калмановский В.И., Киселев А.В., Лебедев В.Р. и др. // Жури. физ. химии. 1961. Т. 35. С. 1386.

Калмановский В.И., Лебедев В.Р., Полякова Л.В. и др. // Труды по химии и химической технологии. Горький, 1961. Вып. 2. С. 351.

Калмановский В.И., Киселев А.В.,Лебедев В.Р. и др. // Abh. Dt. Akad. Wiss. Berlin. KI. Chem., GeoL, Biol. 1962. N 1. S. 275.

Миронов A.C.. Яновский М.П., Кузнецова E.B. и др. И Газовая хроматография. М.: Наука, 1964. С. 392.

Struppe H.-G. И Gas chromatographic, 1961 / Ed. M. Schroter, К. Metzner.

В.: Akad.-Verl., 1962. S. 409.

Struppe H.-G. H Chem. Technol. 1962. Vol. 14. P. 114.

Struppe H.-G. II Gas chromatographie, 1963 / Ed. H.-G. Struppe, H.- Р. Angele. B.: Akad.-Verl. 1964. S. 265.

Struppe H.-G. 11 Ber. Bunsengesellschaft. 1965. Bd. 69. S. 833.

Struppe H -G. H Ztschr. Chem. 1966. Bd. 6. S. 272.

Struppe H.-G.. Rodewald D.. Lorenz J. et al. // Ibid. 1974. Bd. 14. S. 252-260.

Sfruppe H.-G. Ц Abh. Dt. Akad. Wiss. Berlin. KI. Chem., Geol., Biol. 1962 N1,S. 409-439.

Schomburg G., Hussman H. // Chromatographia. 1971. Vol. 4. P. 517.

Schomburg G., Hussman H., Rittman R. // J, Chromatogr. 1981. Vol. 204 P. 85-96.

Schomburg G., Benlau H„ Dielmann R. et al. // Ibid. 1977. Vol. 142 P. 87-102.

Schomburg G., Haussig U„ Hussman H. Ц J. High Resolut. Chromatogr. 1985. Vol. 8. N9. P. 566-571.

Schomburg G., Schelfaut M., Verzele M. //Ibid. 1982. Vol. 5. P. 50-57.

Schomburg G., Husmann H., Behlau H., Schulz F. // J. Chromatogr. 1983 Vol. 279. P. 251-258.

Schomburg G„ Husmann H„ Schuh F. et al. // Ibid. P. 259-267.

Horning E.C., Brooks CJ.W., Van-den-Heuvel WJA. // Advances in lipid research. N.Y.: Acad, press, 1968. Vol. 6.

Horning E.C., Horning M.G., Szafranek J. et al. // J. Chromatogr. 1974 Vol. 91. P. 367.

Szafranek J., Pfaffenberger C.D., Horning E.C. U Ibid. Vol. 88. P. 149.

Pfaffenberger CD., Horning E.C. //Ibid. 1975. Vol. 112. P. 581.

Grob К. H Helv. chim. acta. 1968. Vol. 51. P. 718.

^мегЛ.//Chromatographic in der Gasphase. Mahngeim: Bibi. Inst., 1961.

Kaiser R. // Chromatographia. 1968. Vol. 1. P. 34.

Ilkova E.L., Mistryukov EA. И Ibid. 1971. Vol. 4. P. 77.

%\. Ilkova E.L., Mistryukov EA. Ц J. Chromatogr. Sci. 197i. Vol. 9 P. 569.

ilkova E. L„ Mistryukov E.A. // J. Chromatogr. 1971. Vol. 54. P. 422.

Березкин В.Г., Руденко Б.А., Кязимов ЕА. // Изв. АН СССР. Сер хим. 1975. № 10. С. 2352.

Teranishi R„ Corse J.W., McFadden W.H. et al. // J. Food Sci. 1963 Vol. 28. P. 316.

Varadi P.F., Ettre К. И Anal. Chem. 1962. Vol. 34. P. 1417.

McFadden W.H., Teranishi R., Black D.R., Day ,LC. // J. Food Sci. 1963 Vol. 28. P. 478.

Henneberg D., Schomburg G. H Gas chromatography, 1962 / Ed. M. van Swaay. L.: Butterworths, 1962. P. 191.

Zlatkis A., Lichtenstein H.A., Tishbee А. Ц Chromatographia. 1973. Vol 6 P. 67.

Lao R.C., Thomas R.S., Oja H„ Dubois L. // Anal. Chem. 1973. Vol. 45 P. 908.

Gudzinovicz В J,, Gudzinovicz M.J., Martin H.F. Fundamentals of Integrated GC-MS. N.Y.; Dekker, 1979.

McFadden IV. Techniques of combined gas chromatography / Mass spectrometry applications in organic analysis. N.Y.: Wiley, 1973.

Ancillary techniques of gas chromatography / Ed. L.S. Ettre. N.Y.: Wiley 1969.

Исидоров B.A., Зенкевич Л.Г. Хромато-масс-спектрометрическое определение следов органических веществ в атмосфере. Л.: Химия 1982.

Karasek F.W., Klement R.E. Basic gas chromatography — mass spectrometry. Amsterdam: Elsevier, 1988.

Lao R.C., Thomas R.S., Monkman J.L. // J. Chromatogr. 1975. Vol. 112. P. 681.

Ciccioli P., Bertoni G., Brancaleoni E. et al. // Ibid. 1976. Vol. 126. P. 757.

Руденко Б.А. Капиллярная хроматография. M.: Наука, 1978.

Шляхов А.Ф. И Капиллярная газовая хроматография. М.: ВИНИТИ, 1978. С. 71-100.

Jennings И/. Gas chromatography with glass capillary columns. N.Y.: Acad, press, 1978. Рус. пер.: Газовая хроматография на стеклянных капиллярных колонках. М.: Мир, 1980.

Chromatography: Fundamentals and application of chromatographic and electrophoretic methods / Ed. E. Heftman. N.Y.: Elsevier, 1983.

Application of glass capillary gas chromatography / Ed. W. Jennings. N.Y.; Basel: Dekker, 1981.

Theoretical advancement in chromatography and related separation techniques / Ed. F. Dondi, G. Guiochon. Dordrecht: Kluwer, 1992.

High resolution gas chromatography / Ed. KJ. Hyver. Hewlett-Packard, 1989. Рус. пер.: Высокоэффективная газовая хроматография. M.: Мир, 1993.

Targ S.M. Basic problems of theory of laminar flow. 1950.

Harris W.E., Habgood H.W. Programmed temperature gas chromatography. N.Y.: Wiley, 1966. Рус. пер.: Газовая хроматография с программированием температуры. М.: Мир, 1968.

Carman Р. С. Flow of gases through porous media. L., Butterworths, 1956.

James A. T., Martin A. J. P. // Biochem. J. 1952. Vol. 50. P. 679.

Пецев H., Коцев H. Справочник по газовой хроматографии. M.: Мир, 1987.

Hilsenrath J., Touioukian Y.S. Trans. ASME. 1954. Vol. 76. P. 967.

Goiay M.J.E. // Gas chromatography / Ed. VJ. Coates et al. N.Y.: Acad, press, 1958. P. I.

Go/ду MJ.E. // Gas chromatography, 1958 / Ed. D.H. Desty. L: Butterworths, 1958. P. 20. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография. М.: Изд-во иностр, лит., 1961. С. 39.

Smuts Т. W., Buys T.S., Du Toit T.G. et al. // J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1981. Vol. 4, N 8. P. 385-392.

Khan MA. //Nature. 1960. Vol. 186. P. 800.

Khan MA. // Gas chromatography, 1962 / Ed. M. van Swaay. L.: Butterworths, 1962. P. 112.

Дести Д.. Голдап А., Уайман Б.Х.Ф. H Газовая хроматография. М.: ГОСИНТИ, 1961. Вып. 1 (2). С. 3.

Goldup А. // Gas chromatography, 1962 / Ed. М. van Swaay. L.: Butterworths, 1962. P. 17.

Shay G. H Ibid. P. 67.

Takas J.M J! k Chromatogr. 1981. Vol. 213, N3. P. 371-388.

Edwards TJ„ Newman J. // Macromolecules. 1977. Vol. 10. N 3. P. 609-615.

Гарбузов ВТ., Васильев А.В., Головня Р.В. И Изв. АН СССР. Сер. хим. 1980,№7. С. 1491.

VIA. Sandra Р., Verzele М. Н J High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1980. Vol. 3, N 5. P. 253-256.

Deary D.H., Douglas А А. И J. Chromatogr. 1977. Vol. 142. P. 39-56.

Pretorius V., Smuts T.W. // Anal. Chem. 1966. Vol. 38. P. 274.

Smuts T.W., De Clerk K„ Pretorius V. // Separ. Sci. 1968. Vol. 3. P. 43.

Schteke J.D., Smuts T.W., Pretorius V. // Ibid. P. 27.

Glueckauf E. //Trans. Faraday Soo. 1955. Vol. 51. P. 34.

Purnell Т.Н. Ц Nature. 1959. Vol. 184. P. 2009; J. Chem. Soc. 1960. P. 1268.

Burrell RA., Perry S.G. H Nature. 1962. Vol. 196. P. 571.

Kaiser R. //Ztschr. anal. Chem. 1962. Bd. 189. S. 1.

Kaiser R. // Chromatographia. 1976. Vol. 9. P. 337,463.

Perry S.G., Burrell RA. //J. Gas chromatogr. 1965. Vol. 3. P. 2.

Polgar A.G., Bolst J J., Groennings S. // Anal. Chem. 1962. Vol. 34. P. 1226.

Klein P.D., Tyler SAJI Ibid. 1965. Vol. 27. P. 1280.

Struppe H-G. И Handbuch der Gas chromatographic. Leipzig: Geest und Portig, 1970. Th. 1. S. 56. Рус. пер.: Руководство по газовой хроматографии. M.: Мир, 1988. С. 46-140.

Bruno TJ. HI- Chromatogr. A. 1996. Vol. 721. P. 157-164.

Knox. .LH., McLaren L. H Anal. Chem. 1963. Vol. 35. P. 449.

Adiard R.R., Khan MA., Whitham B.T. H Gas chromatography, 1962 / Ed. M. van Swaay. L.: Butterworths, 1962. P. 84.

Peterson M.L., Hirsch.!. П J. Lipid Res. 1959. Vol. 1. P. 132.

Grobler A., Babiz G. HI. Chromatogr. Sci. 1974. Vol. 12. P. 57.

Gold В J. И Anal. Chem. 1962. Vol. 34. P. 174.

Golay M. H Gas chromatography, 1960 / Ed. R.P.W., Scott. L.: Butterworths, 1960, P. 150. Рус. пер.: Газовая хроматография. M.: Мир, 1964. С. 187-219.

Barr J.К., Sawyer D.T. И Anal. Chem. 1964. Vol. 36. P. 1753.

\Ai. Bohemen J.,Purnell J.H. Ц1. Chem. Soc. 1961. P. 2630.

Perrett R.H., Purnell.LB. // Anal. Chem. 1963. Vol. 35. P. 430.

Ettre L.S. Introduction to open tubular columns. Norwalk: Perkin-Elmer, 1978.

Chizhkov V.P., Sinitsina L.L. Hl. Chromatogr. 1975. Vol. 104. P. 327.

Kaiser R., Struppe B.-G. И Gas chromatographic, 1959: Symp. liber Gas- Chromatographic im Bolen. B.: Akad.-Verl., 1959.

Scott R.P.W. H Nature. 1959. Vol. 183. P. 1753.

Halasz L, Heine E. H Ibid. 1962. Vol.194. P. 971.

Bruner P., Di Corcia A. HI. Chromatogr. 1969. Vol. 45. P. 304.

Ettre L.S., Cieplinski IV., Kabot FJ. Hl. Gas Chromatogr. 1963. Vol. 1. P. 38.

Schneck E. И Brennstoff-Chem. 1963. Vol. 44, P. 354.

Halasz L. Horvath С. H Anal. Chem. 1964. Vol. 36. P. 2226.

Halasz L, Horvath С. H Ibid. 1963. Vol. 35. P. 499.

Wegner E.E. И Gas-Chroma tographie, 1961 / Ed. M. Schrdter, K. Meaner. B.: Akad.-VerL, 1962. S. 285.

Etlre L.S., Cieplinski E.W., Averill W. // J. Gas Chromatogr. 1963. Vol. 1. P.7.

Averill W. // Ibid. P. 22.

Schneider W„ Bruderreck H., Halasz I. // Anal. Chem. 1964. Vol. 36. P. 1533. ■

Kabot F..L. Etire L.S. H Ibid. P. 250.

Schwartz R.D., Brasseaux D.J., Shoemake G.R. // J. Gas Chromatogr. 1963. Vol. 1. P. 32.

Scott C.G., Phillips C.G.S. //Gas chromatography, 1964 / Ed. A. Goldup. L.: Butterworths, 1965. P. 266.

Desty D.H. Goldup L., Whyman B.H.F. // J. Inst. Petrol. 1959. Vol. 45. P. 287.

Scott R.P.W. Ц Manufact. Chem., 1958. Vol. 29. P. 517.

Giueckauf E. Ц Trans. Faraday Soc. 1964. Vol. 60. P. 729.

Van DeemterJJ., Zuiderweg FJ„ Klinkenberg A. //Chem. Eng. Sci. 1956. Vol. 5. P. 271.

Giddings J.C. // Anal. Chem. 1962. Vol. 34. P. 722.

Keutemans A.LM. // Gas chromatography. N.Y.: Reinhold, 1959.

Porter P.E., Deal С.У., Stross F.H. // J. Amer. Chem. Soc. 1956. Vol. 78. P. 2999.

Hollingshead L.W., Habgood H.W., Harris W.E. // Canad. J. Chem. 1965. Vol. 43. P. 1560.

Guiochon G. К Anal. Chem. 1963. Vol. 35. P. 399.

Гьошон Г., Жакоб Л. И Успехи хроматографии. M.: Наука, 1972. С. 170-178.

Глава 4

ПРИГОТОВЛЕНИЕКАПИЛЛЯРНЫХ КОЛОНОК

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯКАПИЛЛЯРНЫХ КОЛОНОК

Для приготовления капиллярных колонок используют трубки длиной до 1000 м и более и диаметром от сотых долей миллиметра до 1-2 мм. Требования, которым должны удовлетворять исходные трубки, многообразны и часто противоречивы [1-4]. Основные из них могут быть сформулированы следующим образом:

трубка должна иметь необходимую длину и строго постоянный по всей длине диаметр;

внутренняя поверхность капиллярной трубки должна быть однородной, чтобы могла образоваться равномерная пленка жидкой фазы;

материал стенок трубки должен быть достаточно инертным, чтобы исключить возможность протекания химических реакций между материалом трубки и неподвижной фазой или разделяемыми веществами;

адсорбционная способность материала трубки должна быть невелика во избежание резкого искажения формы пиков разделяемых веществ;

трубка должна иметь достаточную механическую прочность.

В практике капиллярной газовой хроматографии применяют трубки, выполненные из различных металлов, пластических масс п стекла. Ни один из этих материалов не удовлетворяет в полной мере перечисленным выше требованиям. Однако в процессе развития и совершенствования данного метода были выработаны многочисленные практические приемы, позволяющие преодолеть недостатки каждого из названных материалов. Наиболее часто для изготовления металлических капиллярных трубок при-

Рис. 20. Приспособление для изготовления медных капилляров

/ - волочильная доска; 2 - подающий барабан; 3 - тянущий барабан; 4 - основание

меняют медь и ее сплавы и нержавеющую сталь. Капилляры из чистой меди и таких ее сплавов, как латунь и томпак, могут быть приготовлены непосредственно в лаборатории при наличии необходимых инструментов - волочильных досок. Такой инструмент представляет собой пластинку из закаленной стали толщиной 4-5 мм и размером примерно 10x10 см2. В пластинке имеется ряд отверстий диаметром от 3 до 0,5 мм, причем диаметр каждого следующего отверстия на 0,1-0,05 мм меньше диаметра предыдущего. Внутренние поверхности отверстий тщательно отполированы и часто имеют незначительную конусность. Исходную заготовку - медную или латунную трубку длиной 2-3 м и диаметром около 3 мм - подвергают отжигу и последовательно протягивают через постепенно уменьшающиеся отверстия волочильной доски. Обычно протяжку осуществляют с помощью простого приспособления, показанного на рис. 20. После протяжки через каждые три-четыре отверстия волочильной доски капилляр промывают бензолом или эфиром с помощью приспособления, описанного ниже, удаляют остатки растворителя продувкой воздуха или иного газа и отжигают при температуре 300°С для ликвидации жесткости, возникающей при механической обработке медных сплавов. Во время отжига рекомендуется продувать через капилляр сухой инертный газ [2].

После отжига процесс волочения продолжают до получения капиллярной трубки желаемых размеров. Аналогичным путем могут быть изготовлены капилляры из алюминия.

Хотя в настоящее время исследователю в лаборатории редко приходится готовить самостоятельно длинные металлические капиллярные трубки, общее представление о технологии этого процесса может оказаться полезным.

Обычно медные капилляры имеют внутренний диаметр 0,1- 0,5 мм при толщине стенок 0,3-0,5 мм. Колонки из меди и ее сплавов доступны, обладают достаточной механической прочностью,

легко сочетаются с выполненной из металла газохроматографической аппаратурой. Высокая теплопроводность меди позволяет свести к минимуму температурные градиенты как при изотермических условиях, так и при работе с программированием температуры. Описаны многочисленные примеры высокоэффективного разделения, выполненные с помощью таких колонок (см., например, [5-10]). Это показывает, что медь и ее сплавы могут быть достаточно равномерно покрыты пленкой подвижной фазы, что обеспечивает высокую эффективность получаемых колонок. Химическая инертность меди в большинстве случаев, по-видимому, является достаточной. Однако иногда наблюдается активное химическое или адсорбционное взаимодействие медных материалов и разделяемых веществ, достаточно активных в химическом отношении или способных к образованию комплексов с медью (алкил- галогениды, амины и др.). Кайзер [2] сообщал о разложении циклогексанона в медном капилляре при 180 °C, что, однако, не подтверждается наблюдениями других авторов с сотр. [10]. Дести и сотр. [II] указывают на быстрое разложение Апиезона L при 200 °C, если в содержащую его медную колонку случайно попадает воздух. Недостатком медных капилляров также является быстрая и интенсивная коррозия их внешней поверхности при температурах, превышающих 120-140°€. Продувка термостата хроматографа инертным газом или наружное покрытие капилляра термостойкими защитными материалами позволяют предотвратить этот нежелательный процесс.

Широко используются трубки из нержавеющей стали. Их высокая механическая прочность облегчает решение целого ряда а ппаратурно-конструктивных вопросов, однако исключает возможность изготовления таких капилляров в лаборатории. Под названием “нержавеющая сталь" обычно понимают аустенито- вые стали, содержащие до 0,08% углерода, 16-19% хрома, 9-14% никеля, до 1% кремния, 2% марганца и следы серы и фосфора. Используют также медно-никелевые сплавы, содержащие 29-32% никеля, 0,4-0,7% железа, до 1% цинка, до 1% олова и 0,05% свинца [1]. По внешнему виду оба типа материалов сходны между собой, однако первые являются более твердыми и жесткими. Толщина стенок трубок колеблется от 0,12-0,15 до 0,5 мм. В настоящее время могут быть изготовлены трубки из нержавеющей стали длиной до 500-600 м и более. Они легко моются, относительно легко могут быть покрыты пленкой жидкой фазы и надежно служат в течение длительного времени даже при высоких рабочих температурах.

Капиллярные трубки могут быть изготовлены из алюминия. В этом случае их можно получать непосредственно в лаборато-

рии так же, как и медные. Алюминиевые капилляры менее распространены. С одной стороны, на их внутренней поверхности относительно легко образуется равномерная и устойчивая пленка жидкой фазы, а с другой стороны, эта поверхность имеет довольно значительную остаточную адсорбционную активность, связанную с присутствием на ней пленки оксида алюминия [12, 13]. Описано применение для капиллярной хроматографии трубок из серебра, золота и никеля [И, 14]. К сожалению, малая доступность капиллярных трубок из никеля и высокая стоимость серебряных и золотых капилляров ограничивают применение этих материалов.

Уже с самого зарождения капиллярной хроматографии для изготовления капиллярных колонок были использованы пластмассовые трубки. Первые опыты Голея были проведены с применением трубок из пластмассы “Тайгон” - прозрачного поливинилацетатного пластика [15]. Более успешным было применение трубок из найлона [16, 17] и аналогичных полиамидных пластиков - перлона и дедерона [18]. Пластмассовые капилляры могут иметь неограниченную длину. Они удобны в работе, легко смачиваются многими жидкими фазами, полупрозрачны, что облегчает наблюдение и контроль за образованием пленки неподвижной фазы.

Недостатками пластмассовых капилляров являются их недостаточная термическая устойчивость и малая механическая прочность. В толще полимерных материалов могут задерживаться следы мономера и низкомолекулярных примесей, что приводит к повышению уровня шумов детектора и дрейфу нулевой линии. Кроме того, многие полярные компоненты анализируемых смесей (низшие спирты, амины) могут растворяться не только в пленке жидкой фазы, но и в материале стенок капилляра. При малой толщине стенок пластмассовые капилляры обладают способностью пропускать воздух и влагу. Капилляры из полиамидных материалов могут применяться при температурах до 80 °C [19]. Попытки использования более термостойких и инертных в химическом отношении пластмасс, таких, как политетрафторэтилен, не привели к успеху, так как эти материалы крайне плохо смачиваются жидкостями. Тем не менее, тефлоновые капиллярные колонки, хотя и имеющие ограниченную эффективность, были использованы для разделения агрессивных неорганических газов - фтористого водорода, шестифтористого урана, оксидов хлора и др. [20]. Позже были разработаны методы химической модификации внутренней поверхности фторопластовых капилляров, позволившие получать высокоэффективные капиллярные колонки [21]. На таких колонках с неподвижными фазами SE-52, сквалан, карбовакс-1540 было проведено успешное разделение углеводо-

родов и спиртов при температурах 40-85°С и выше. Предпринимались попытки модифицировать внутреннюю поверхность пластмассовых капилляров путем нанесения пленки лака или действием других химических агентов [3]. В настоящее время пластмассовые капилляры применяются реже, чем они того заслуживают. По-видимому, область их применения будет расширяться.

Важным материалом для изготовления капиллярных колонок являются стекло и плавленый кварц. В последнее время стеклянные и кварцевые капиллярные колонки приобрели особое значение, в первую очередь для решения аналитических задач, связанных с медико-биологическими проблемами. Особые качества стекла и кварца в этой области имеют настолько важное значение, что вопросы изготовления стеклянных и кварцевых капилляров и нанесения жидкой фазы на их внутреннюю поверхность целесообразно обсудить отдельно, что сделано в следующей главе.

ПОДГОТОВКА КАПИЛЛЯРНЫХ ТРУБОКДЛЯ НАНЕСЕНИЯ НЕПОДВИЖНОЙ ФАЗЫ

НА ИХ ВНУТРЕННЮЮ ПОВЕРХНОСТЬ

Для того, чтобы достичь высокой разделяющей способности колонок, на внутренние стенки капиллярной трубки должна быть нанесена однородная равномерная пленка неподвижной фазы. При малой толщине такой пленки, распределенной на достаточно большой поверхности, достигается интенсивный массообмен между подвижной и неподвижной фазами, что способствует быстрому установлению равновесия между ними.

Такие колонки, в которых роль твердого носителя играет непосредственно материал стенки капиллярной трубки и которые, следовательно, приближаются к теоретической модели, рассмотренной в гл. 3, будут далее называться обычными капиллярными колонками, или, короче, капиллярными колонками. Если диаметр капиллярных колонок близок к 1 мм или выше этого значения, то речь будет идти о макрокапиллярных колонках. В том случае, если жидкая фаза удерживается не гладкими стенками капилляра, а промежуточным пористым слоем, предварительно нанесенным на стенки колонки или заранее сформированным из материала стенок, то колонки будут называться колонками с покрытыми твердым носителем стенками. В литературе такие колонки обозначают, соответственно, WCOT и SCOT (по начальным буквам английских слов Wall Coated Open Tubular и Support Coated Open Tubular). Если же на стенках колонки сформирован

Рис. 21. Угол смачивания (9) капли жидкости на поверхности твердого тела

пористый слой из материала самого капилляра, то такую колонку обозначают PLOT (Porous Layer Open Tubular) [22]. В тех случаях, когда разделение в колонках происходит за счет действия адсорбционных сил на поверхности адсорбента, специально нанесенного на стенки капилляра или предварительно сформированного из материала стенок, то получаются адсорбционные капиллярные колонки.

При нанесении жидких фаз на стенки капиллярных трубок часто встречаются серьезные затруднения, связанные с образованием недостаточно равномерной пленки жидкой фазы, либо с разрушением такой пленки с одновременным появлением в капилляре мелких капель жидкости. Одной из основных причин таких затруднений является недостаточно высокая смачивающая способность многих широко распространенных неподвижных фаз. Равномерное смачивание внутренней поверхности капиллярных трубок является лишь частным случаем проблем, касающихся смачивания поверхности твердого тела жидкостью.

Вопросы взаимодействия жидкости и поверхности твердых тел находятся в центре внимания коллоидной химии, химии поверхностно-активных веществ и ряда других дисциплин, таких, как технология флотационного обогащения руд, технология текстильного производства, полиграфия и т.п. Современные представления о механизме смачивания [23-27], хотя и не исчерпывают всех возникающих вопросов, тем не менее, дают возможность избежать чисто эмпирического подхода к этой проблеме.

При помещении капли смачивающей жидкости на чистую поверхность происходит постепенное увеличение размеров этой капли до определенного предела, характеризующегося величиной угла смачивания 0 (рис. 21), который может быть измерен экспериментально. Краевой угол связан с величинами поверхностного натяжения на трех межфазных поверхностях уравнением Юнга [27]

- °vz + °tg cos 9,

где оч,. o,h ок, - поверхностное натяжение на границах твердое тело - газ, твердое тело - жидкость, жидкость - газ, соответственно.

Угол смачивания равен нулю, когда капля жидкости растекается сразу по всей поверхности, образуя равномерную пленку.

При заданных величинах о,е и о,,, определяемых природой поверхности и характером смачивающей жидкости, угол смачивания будет тем меньше, чем ниже поверхностное натяжение жидкости о1ц на границе с газовой фазой:

0050=°^(4-2)

Это показывает, что процедура смачивания будет облегчена при снижении поверхностного натяжения смачивающей жидкости.

Помимо величины угла смачивания, в качестве количественных характеристик процесса смачивания, применяют такие параметры, как коэффициент расплывания [28], критическое поверхностное натяжение [24] и работа адгезии [29]. Явление смачивания обусловлено действием дисперсионных сил между поверхностными атомами твердого тела и жидкости. Поверхностное натяжение на границе твердого тела с газом чаще всего больше, чем на границе с жидкими органическими веществами, поэтому числитель в формуле (4-2) обычно является положительной величиной, так что на абсолютно чистой поверхности любая органическая жидкость проявляла бы стремление к растеканию. Это естественно, т.к., за малыми исключениями, свободная энергия поверхности жидкости меньше, чем у твердого тела, поэтому покрытие твердой поверхности жидкой пленкой влечет за собой снижение свободной энергии всей системы в целом. При наличии на поверхности микротрещин, небольших неровностей, складок, царапин и т.п. смачивание облегчается, за счет того, что на шероховатой поверхности тонкие пленки жидкости образуются легче и удерживаются лучше [30].

В действительности всегда имеется ряд факторов, которые могут оказывать отрицательное влияние на процесс смачивания и приводят к тому, что вместо сплошной пленки поверхность оказывается покрытой отдельными мелкими капельками жидкости.

В пленке жидкости на поверхности твердого носителя непосредственный контакт между жидкой и твердой фазами осуществляется через один монослой граничных молекул. Молекулы жидкости оказывают весьма малое влияние на процесс смачивания уже на расстоянии нескольких ангстрем от поверхности. Таким образом, в процессе образования связей между жидкой пленкой и твердой поверхностью принимает участие лишь небольшая Доля всех частиц жидкости. Поэтому даже незначительные примеси в жидкой фазе или загрязнения твердой поверхности могут оказать достаточно сильное влияние на процесс смачивания, качество поверхности и характер образующейся пленки. В связи с

этим необходимо самым тщательным образом заботиться об очистке смачиваемой поверхности и о возможно большей чистоте препаратов неподвижных жидких фаз, наносимых на капиллярные колонки. Важными факторами, определяющими качество смачивания, являются наличие на поверхности твердого тела пленки адсорбированных газов и влаги, а также присутствие следов воды в самой жидкой фазе или в применяемом растворителе. Влияние перечисленных факторов приводит к тому, что достаточно четкие корреляции между углом смачивания и качеством покрытия в капиллярных колонках проследить не удается [31].

По-видимому, предварительно можно утверждать, что хорошему распределению жидкости на стенках капиллярных колонок должно способствовать химическое сродство материала стенок и наносимой на них неподвижной фазы. Это требует в ряде случаев специальной обработки поверхности для придания ей необходимых свойств или покрытия ее тонкими слоями различных органических или неорганических материалов с более высокой способностью к смачиванию. Наиболее общей моделью такого слоя является монослой органических молекул, состоящих, например, из полярной части, активно реагирующей с материалом стенки, и второй части, обладающей определенным сродством к органической жидкой фазе. Примерами таких систем являются поверхностно-активные вещества, имеющие группы анионного характера на конце углеродной цепи, содержащей 16-20 атомов углерода. При нанесении на металлические поверхности все молекулы такого вещества ориентируются так, что их полярные фрагменты находятся вблизи металлической поверхности, с которой они связываются химическими, электростатическими или дисперсионными силами. Неполярный фрагмент молекулы активно взаимодействует с частицами жидкой фазы, внедряясь в ее толщу и обеспечивая таким образом более надежное сцепление поверхности и смачивающей ее жидкости.

Адсорбционные свойства внутренней поверхности капилляров из нержавеющей стали были подробно изучены в работах [32-34], в которых были также даны рекомендации по технике дезактивации поверхности и приготовлению высокоэффективных колонок.

При работе с металлическими капиллярными колонками первым этапом подготовки поверхности является ее очистка от масел и других загрязнений, обусловленных требованиями технологии изготовления. Количество таких примесей велико и в ряде случаев соответствует количеству наносимой затем жидкой фазы или даже превосходит его. Так, новая медная капиллярная колонка длиной 60 м и диаметром 0,5 мм содержала 26,5 мг загряз-

няющих веществ (в основном полиизобутилена) [32], что соответствует наличию однородной пленки жидкой фазы толщиной 0,32 мкм.

Обычно очистка капиллярной трубки осуществляется пропусканием через нее под действием повышенного давления определенного количества органических растворителей, таких как хлористый метилен, хлороформ, ацетон, метанол, гексан и диэтиловый эфир. В ряде случаев промывку осуществляют, многократно пропуская через капилляр несколько растворителей в определенной последовательности. Рекомендована, например, следующая последовательность растворителей: пентан, хлористый метилен, ацетон, диэтиловый эфир, растворитель, применяемый при нанесении жидкой фазы [35]. В работе [32] рекомендуется выполнять двухкратную промывку капилляров из нержавеющей стали растворителями в следующей последовательности: пентан, бензол, хлороформ, бензол, пентан, хлороформ, ацетон, дистиллированная вода, ацетон, вода, концентрированный аммиак, вода, ацетон, хлороформ, пентан. Операция нанесения неподвижной жидкой фазы - сквалана осуществляется путем пропускания через капилляр его раствора в пентане с последующим медленным нагреванием колонки до 100°С. В лаборатории автора при подготовке металлических капиллярных колонок хорошо зарекомендовала себя следующая последовательность операций: двух-трехкратная промывка капилляра порциями по 10 мл бензола, высушивание пропусканием сухого азота в течение 1 часа, промывка 1%-ным водным раствором детергента (ОП-7, “Новость”, “Астра” и т.п,), трехкратная промывка дистиллированной водой, затем метанолом или этанолом, ацетоном, этилацетатом, хлороформом, бензолом, гексаном и далее растворителем, который будет использован для нанесения жидкой фазы, чаще всего изопентаном или хлористым метиленом. После промывки раствором детергента первые порции воды и спирта пропускаются без промежуточного высушивания капилляра. После каждой следующей промывки капилляр сушится 1 час в токе сухого азота или аргона. Все промывные растворы и растворители берутся порциями по 10 мл, причем скорость пропускания через капилляр устанавливается такой, чтобы одна порция проходила через колонку за 2,5-3 часа. После промывки капилляр тщательно высушивают пропусканием сухого инертного газа в течение 2-3 час. Ряд полимерных пленкообразующих материалов для покрытия внутренней поверхности металлических капилляров были изучены в работах автора (совместно с Я.Л. Хромченко) [36-38]. Было показано, что наиболее инертные и эффективные капиллярные колонки могут быть получены при нанесении на внутреннюю поверх-

ность капилляров тонких пленок из эпоксидных смол, растворимого политрифторхлорэтилена и, так называемого, кардового полимера [38-39].

Адсорбция на поверхности капилляров может весьма заметно влиять на параметры удерживания различных веществ, разделяемых на стеклянных или кварцевых и металлических капиллярных колонках. Сояк и соавт. [40] сообщили о значительном влиянии адсорбции на воспроизводимость индексов удерживания алифатических и ароматических углеводородов (пентадекана, бензола, толуола, ксилолов и др.) даже при использовании столь полярной неподвижной фазы, как полиэтиленгликоль карбовакс 20М.

Адсорбционная активность поверхности стеклянных и кварцевых капилляров и каталитическое действие нагретых до высокой температуры элементов аппаратуры могут вызывать искажение формы хроматографических пиков, причем в ряде случаев бывает затруднительно отличать под действием какого именно из указанных факторов возникают наблюдаемые искажения. Для того, чтобы различить влияние этих двух факторов предложено [41] использовать то обстоятельство, что адсорбционные явления с ростом температуры уменьшаются, а каталитические и термические эффекты, наоборот, проявляются во все более сильной степени. В работе [41] такие различия показаны на примере н-октадеканола и триметилсилилового эфира октадекановой (стеариновой) кислоты, разделяемых при температурах 160°С и 180°С на капиллярной колонке с полисилоксаном OV-73 в качестве неподвижной фазы.

НАНЕСЕНИЕ НЕПОДВИЖНОЙЖИДКОЙ ФАЗЫ ДИНАМИЧЕСКИМ СПОСОБОМ

В связи с тем, что эффективность и сорбционная емкость капиллярной колонки зависят в первую очередь от равномерности и толщины пленки жидкой неподвижной фазы, процедура ее нанесения на внутренние стенки капиллярной трубки имеет огромное значение. В ходе развития метода капиллярной хроматографии были выработаны различные приемы, с большей или меньшей вероятностью позволяющие получить высокое качество покрытия. Недостаточно полное знание фундаментальных процессов, лежащих в основе процесса смачивания, особенно при движении слоя жидкости, приводит к тому, что опыт многих исследователей обобщается лишь в форме ряда эмпирических и полу- эмпирических правил.

В настоящее время для нанесения пленки жидкой фазы на внутреннюю поверхность капиллярных трубок применяются два основных способа - динамический и статический. В случае первого внутренняя поверхность капилляра смачивается при пропускании через капилляр под действием повышенного давления какого-либо газа определенного объема раствора жидкой фазы в подходящем растворителе. Движущаяся по капилляру пробка раствора оставляет позади себя жидкую пленку. Затем через капилляр пропускают инертный газ, в результате чего из образовавшейся пленки испаряется растворитель и на стенках капилляра образуется тонкая пленка жидкой фазы. Динамический способ нанесения жидкой фазы применял в своих первых опытах Голей, однако описан он был впервые в работе, авторами которой были Дийкстра и де-Гоэй [42].

Второй способ - статический - заключается в том, что капилляр заполняется раствором жидкой фазы и растворитель испаряется в условиях повышенной температуры или пониженного давления.

Растворитель, применяемый для приготовления капиллярных колонок, должен отвечать ряду требований, наиболее важные из которых следующие:

растворитель должен иметь возможно более низкое поверхностное натяжение и низкую вязкость;

он должен смешиваться с применяемой жидкой фазой во всех отношениях;

растворитель должен иметь не слишком высокую температуру кипения и не должен содержать высококипящих примесей.

Так как вязкость и поверхностное натяжение жидкостей уменьшаются с повышением температуры, полезно при нанесении жидкой фазы динамическим способом поддерживать температуру колонки на 1-2°С ниже температуры кипения растворителя. При использовании такого растворителя, как изопентан, имеющего температуру кипения 24,7°С, можно соблюсти это условие, проводя все операции при комнатной температуре. Взаимосвязь толщины пленки с условиями ее образования при динамическом способе нанесения была изучена Кайзером [2, 12] и позже Новотным с сотр. [43—45]. Было установлено, что толщина пленки жидкой неподвижной фазы df зависит от концентрации жидкой фазы в растворе с, скорости движения жидкости в капилляре и, вязкости 11 и поверхностного натяжения раствора Gig, следующим образом:

= — . (4-3) / КХ) 2 ; g

Из уравнения (4-3) следует, что толщина пленки в узких капиллярах оказывается существенно меньше, чем в более широких. В ряде исследований [46-48] показано, что уравнение (4-3) справедливо для большинства применяемых жидких фаз и растворителей. Отклонения могут быть только при весьма значительной вязкости растворов. В обычных условиях при нанесении жидкой фазы стремятся к тому, чтобы толщина пленки жидкой фазы находилась в пределах 0,1-1,5 мкм [45].

Равномерность образующейся пленки зависит от целого ряда трудноконтролируемых факторов. Даже при самом тщательном проведении всех операций иногда равномерная пленка раствора внезапно превращается в отдельные мелкие линзообразные капли, что можно легко наблюдать при использовании прозрачных капилляров из стекла или пластиков. Часто происходит образование на стенках капилляра волнообразных возмущений, постепенно увеличивающихся и внезапно превращающихся в двояковогнутые линзы жидкости. Такие превращения, показанные схематически на рис. 22, изучались теоретически [48,49], однако эффективных средств для их предотвращения до настоящего времени не найдено.

Скорость продвижения пробки жидкости через капилляр оказывает большое влияние на толщину образующейся пленки раствора и последующей пленки жидкой фазы. Последняя, в свою очередь, определяет эффективность будущей колонки. Очень толстые пленки оказываются неустойчивыми и легко разрушаются с образованием капель или даже линз жидкости, перекрывающих просвет капилляра. Именно это обстоятельство делает невозможным нанесение равномерной пленки путем продавливания через капилляр чистой жидкой фазы. Если жидкая фаза имеет высокую вязкость, то закупорка просвета капилляра пробкой жидкой фазы неминуемо выводит колонку из строя, так как в этом случае капилляр невозможно продуть газом даже при перепаде давлений в 100-150 атм.

Многие авторы, изучавшие технологию приготовления капиллярных колонок динамическим способом, отмечают существование области оптимальных скоростей движения жидкости в капилляре [2, 12,48,50]. Это можно наблюдать непосредственно, если капилляр из стекла или из пластика прозрачен, а жидкая фаза окрашена. При скорости движения жидкости, превышающей 60 мм/сек, устойчивая пленка жидкой фазы, видимо, вообще не образуется и эффективность получающихся колонок оказывается весьма низкой [2, 11,51, 52]. Прямые измерения зависимости толщины пленки от скорости продвижения жидкости в капилляре, проведенные Кайзером [2], показали, что для всех изученных

df, мкмdf, мкмРис. 23. Зависимость толщины пленки от скорости нанесения неподвижной фазы и на стенки капилляра диаметром 0,5 ммРастворители: / - хлороформ; 2 - бензол; 3 - гексанРис. 23. Зависимость толщины пленки от скорости нанесения неподвижной фазы и на стенки капилляра диаметром 0,5 ммРастворители: / - хлороформ; 2 - бензол; 3 - гексанггРис. 22. Последовательные стадии разрушения идеальной пленки ф) жидкой фазы с образованием капель (г), закрывающих просвет капилляраРис. 22. Последовательные стадии разрушения идеальной пленки ф) жидкой фазы с образованием капель (г), закрывающих просвет капилляраРис. 24. Зависимость удельной эффективности колонки (н/L) от скорости (и) нанесения жидкой фазы из 10%-ного раствора полисилоксана SF-96 в толуолеРис. 24. Зависимость удельной эффективности колонки (н/L) от скорости (и) нанесения жидкой фазы из 10%-ного раствора полисилоксана SF-96 в толуоле

df, мкм

df, мкм

Рис. 23. Зависимость толщины пленки от скорости нанесения неподвижной фазы и на стенки капилляра диаметром 0,5 мм

Растворители: / - хлороформ; 2 - бензол; 3 - гексан

Рис. 23. Зависимость толщины пленки от скорости нанесения неподвижной фазы и на стенки капилляра диаметром 0,5 мм

Растворители: / - хлороформ; 2 - бензол; 3 - гексан

г

г

Рис. 22. Последовательные стадии разрушения идеальной пленки ф) жидкой фазы с образованием капель (г), закрывающих просвет капилляра

Рис. 22. Последовательные стадии разрушения идеальной пленки ф) жидкой фазы с образованием капель (г), закрывающих просвет капилляра

Рис. 24. Зависимость удельной эффективности колонки (н/L) от скорости (и) нанесения жидкой фазы из 10%-ного раствора полисилоксана SF-96 в толуоле

Рис. 24. Зависимость удельной эффективности колонки (н/L) от скорости (и) нанесения жидкой фазы из 10%-ного раствора полисилоксана SF-96 в толуоле

растворителей скорость около 2-4 мм/сек соответствует максимальному количеству нанесенной жидкой фазы (рис. 23).

Именно этот диапазон скоростей рекомендуют Скотт и Ха- зелдин [17] и Штруппе [53], получившие хорошие результаты с металлическими, стеклянными и полиамидными (дедероновыми) колонками. Сопоставляя эти данные с результатами Новотного и Златкиса [54], изучавших зависимость эффективности капиллярных колонок диаметром 0,2 мм от скорости движения 10%-ного раствора полисилоксана SF-96 в толуоле (рис. 24), можно заключить, что наиболее высокая эффективность достигается при скоростях 20-30 мм/сек, что соответствует толщине пленки около

Рис. 25. Микроэлектролизер для нанесения неподвижной фазы/ - капиллярная колонка; 2 - электролизер; 3 - охлаждающая баня со льдомРис. 25. Микроэлектролизер для нанесения неподвижной фазы/ - капиллярная колонка; 2 - электролизер; 3 - охлаждающая баня со льдомРис. 26. Схема нанесения жидкой фазы динамическим способом/ - подача азота под давлением; 2 - емкость для раствора жидкой фа зы; 3 - капиллярная колонкаРис. 26. Схема нанесения жидкой фазы динамическим способом/ - подача азота под давлением; 2 - емкость для раствора жидкой фа зы; 3 - капиллярная колонкаРис. 27. Устройство для продавливания раствора и промывной жидкости через капилляры1 - капиллярная колонка; 2 - накидная гайка; 3 - резиновое уплотнение; 4 - корпус, 5 - прокладка; 6 - стакан; 7 - гайка для соединения с редуктором; 8 - сосуд для раствора неподвижной фазы или промывной жидкости; 9 - раствор; 10 - воротокРис. 27. Устройство для продавливания раствора и промывной жидкости через капилляры1 - капиллярная колонка; 2 - накидная гайка; 3 - резиновое уплотнение; 4 - корпус, 5 - прокладка; 6 - стакан; 7 - гайка для соединения с редуктором; 8 - сосуд для раствора неподвижной фазы или промывной жидкости; 9 - раствор; 10 - вороток

Рис. 25. Микроэлектролизер для нанесения неподвижной фазы

/ - капиллярная колонка; 2 - электролизер; 3 - охлаждающая баня со льдом

Рис. 25. Микроэлектролизер для нанесения неподвижной фазы

/ - капиллярная колонка; 2 - электролизер; 3 - охлаждающая баня со льдом

Рис. 26. Схема нанесения жидкой фазы динамическим способом

/ - подача азота под давлением; 2 - емкость для раствора жидкой фа зы; 3 - капиллярная колонка

Рис. 26. Схема нанесения жидкой фазы динамическим способом

/ - подача азота под давлением; 2 - емкость для раствора жидкой фа зы; 3 - капиллярная колонка

Рис. 27. Устройство для продавливания раствора и промывной жидкости через капилляры

1 - капиллярная колонка; 2 - накидная гайка; 3 - резиновое уплотнение; 4 - корпус, 5 - прокладка; 6 - стакан; 7 - гайка для соединения с редуктором; 8 - сосуд для раствора неподвижной фазы или промывной жидкости; 9 - раствор; 10 - вороток

Рис. 27. Устройство для продавливания раствора и промывной жидкости через капилляры

1 - капиллярная колонка; 2 - накидная гайка; 3 - резиновое уплотнение; 4 - корпус, 5 - прокладка; 6 - стакан; 7 - гайка для соединения с редуктором; 8 - сосуд для раствора неподвижной фазы или промывной жидкости; 9 - раствор; 10 - вороток

1 мкм. Такие линейные скорости соответствуют весьма малым объемным скоростям, лежащим в зависимости от диаметра капилляра в диапазоне 0,2-2 мл/мин. В этой области поддержание постоянного расхода газа сопряжено с определенными трудностями. Поэтому обычно регулируют давление газа, применяя различные вентили, пневмосопротивления и т.п., обеспечивающие постоянство скорости его подачи. Одной из наиболее удачных конструкций для этой цели является предложенный Кайзером [2] микроэлектролизер (рис. 25).

При использовании динамического способа нанесения жидкой фазы объем раствора, пропускаемого через капиллярную трубку, может превышать объем капилляра или быть меньше его. При первом варианте обычно используют прибор, схематически изображенный на рис. 26. Вместимость резервуара для раствора жидкой фазы составляет 3-15 мл. Различные конструкции камеры, в которую помещают сосуд с раствором, в большинстве случаев аналогичны представленной на рис. 27. Тщательно профильтрованный раствор помещают в резервуар, поднимают давление газа и нагнетают раствор в капиллярную трубку. Если предполагается пропустить всю взятую порцию раствора, то, установив желаемую скорость истечения, завершают процесс; если предпочитают пропустить количество раствора, точно соответствующее внутреннему объему капилляра, то после появления первых капель раствора на выходе снимают давление, открывают резервуар и удаляют избыток раствора. Затем вновь герметизируют резервуар и устанавливают в нем давление, соответствующее желаемой скорости движения жидкости.

Для того чтобы по мере уменьшения длины заполненного раствором участка капилляра скорость перемещения жидкости в нем не слишком увеличивалась, постепенно снижают давление на входе или, что легче осуществимо практически, к капилляру на выходе присоединяют вспомогательный отрезок трубки того же диаметра, имеющий в 3-5 раз меньшую длину. В большинстве случаев при такой технике нанесения жидкой фазы применяют раствор с концентрацией 10% или в случае высокомолекулярных полимеров - 3-5%. Необходимое избыточное давление составляет обычно несколько десятых долей атмосферы.

При таком варианте динамического способа нанесения жидкой фазы оказывается затруднительным точно оценить количество жидкой фазы в колонке. Можно было бы определить количество жидкой фазы в колонке по разности масс колонки до и после нанесения. К сожалению, масса жидкой фазы оказывается на несколько порядков величины меньше массы капиллярной трубки, что делает такой метод недостаточно точным.

Можно также тщательно измерить объем раствора, прошедшего через колонку. Разность взятого и оставшегося объемов этого раствора определяет его объем в колонке. Зная концентрацию раствора, можно вычислить и количество жидкой фазы в колонке. Если это количество известно, то можно рассчитать эффективную толщину жидкой плен-

ки d; и отношение объемов газовой и жидкой фаз в колонке - [3:

(4-4)(4-4)(4-5)(4-5)dj = mJ Kd^Lp,^^dJ4dp

(4-4)

(4-4)

(4-5)

(4-5)

где dt- диаметр капилляра; L - его длина; р; - плотность жидкой фазы. Если для данной жидкой фазы известен коэффициент распределения К какого-либо вещества, то можно определить для данной колонки экспериментальным путем величину отношения распределения к и найти значение р,

Р = К!к. (4-6)

После этого нетрудно найти df и т; по формулам, которые можно вывести из (4-4) и (4-5) путем простейших преобразований. Если хотя бы для одной колонки известны значения р, и £, для какого-либо одного вещества, то для другой колонки с той же жидкой фазой величина р, может быть найдена по величине J. экспериментально определяемой для того же вещества при той же температуре. Из соотношения (3-6) следует:

РЛ=₽Л- (4-7)

откуда

р^р^!/^. (4-8)

Несколько меньшую точность регулирования давления требует такой вариант динамического способа, в котором через капилляр пропускают объем раствора жидкой фазы, меньший объема капиллярной трубки - способ короткой жидкой пробки. Обычно объем раствора таков, что он образует пробку жидкости длиной в несколько метров. В этом случае изменение сопротивления движению этой пробки в процессе нанесения жидкой фазы невелико, и можно поддерживать на входе в колонку постоянное незначительное давление. Часто необходимый перепад давлений можно обеспечить с помощью напорных склянок с разницей высот вытесняющей жидкости, эквивалентной 0,5-2 м водного столба [31.

Скотт и Хазельдин [17] готовили колонки длиной 30 м и диаметром 0,5-1,0 мм, заполняя около 2 м длины раствором жидкой фазы и проталкивая образующуюся пробку давлением газа со скоростью 2-5 мм/сек. После пропускания пробки раствора через капилляр продували инертный газ, медленно увеличивая его расход до 1 мл/мин. Затем продувку продолжали некоторое время, чтобы полностью удалить растворитель. Кайзер [2] считает

более целесообразным поддерживать примерно в десять раз большие скорости движения пробки жидкости через капилляр (20-50 мм/сек). Он предложил эмпирические соотношения для оценки толщины пленки жидкой фазы £^и необходимого для ее нанесения объема раствора Vw. При этом предполагается, что растворителем является гексан, концентрация раствора равна с (в %), а скорость движения жидкости и, (см/сек):

df= (c/100t/e) (0,265w,+ 0,25)(мкм), (4-9)

Vw = 100 (Kdc Uc^ d/= Kt (0,265m, + 0,25), (4-10) где dc - диаметр капилляра в миллиметрах; L - его длина в метрах.

Величины Vw, вычисленные по этим формулам, обычно составляют ~ 5% общего объема колонки. На практике найденный таким образом объем увеличивают в 1,5-2 раза, так чтобы первоначально пробка раствора заполняла 7-10% общей длины капилляра. Однако другие исследователи используют в 3-5 раз меньшие количества раствора. Так, Штруппе [3] считает достаточным такое количество раствора, которое соответствует пробке длиной 1-2 м на 100 м капиллярной трубки.

В связи с тем, что применяемый объем раствора в данном варианте динамического способа значительно меньше, чем в предыдущем, возникает возможность более точного определения затраченного на смачивание количества раствора. Устройство, предложенное для этой цели Кайзером [2], схематически представлено на рис. 28. Его основными элементами являются две градуированные по объему трубки (3 и 5). Исходный раствор вначале переводят в трубку 3 и как возможно точнее измеряют его объем кф Затем пропускают раствор через капилляр 4 и при поступлении избытка раствора в трубку 5 вновь замеряют оставшийся объем V2. По разности этих двух замеров можно оценить количество жидкой фазы в колонке, толщину пленки жидкой фазы и коэффициент р. Так,

df = я(Р; - V,)с/100х Ыс. (4-Ц)

Естественно, для этой же цели можно применять и любой из способов, описанных выше.

Важным фактором, который часто упускают из вида при подготовке капиллярных колонок динамическим способом, является необходимость строго горизонтального положения или строго постоянного наклона капилляра по всей длине. Даже незначительные изменения наклона существенно меняют скорость движения пробки жидкой фазы, что заметно ухудшает эффектив-

Рис. 28. Устройство для нанесения жидкой фазы динамическим способом с точным измерением объема пропущенного раствора/ - вентиль тонкой регулировки; 2 - емкость для раствора жидкой фазы; 3 и 5 - мерные трубки; 4 - капиллярная колонкаРис. 28. Устройство для нанесения жидкой фазы динамическим способом с точным измерением объема пропущенного раствора/ - вентиль тонкой регулировки; 2 - емкость для раствора жидкой фазы; 3 и 5 - мерные трубки; 4 - капиллярная колонка

Рис. 28. Устройство для нанесения жидкой фазы динамическим способом с точным измерением объема пропущенного раствора

/ - вентиль тонкой регулировки; 2 - емкость для раствора жидкой фазы; 3 и 5 - мерные трубки; 4 - капиллярная колонка

Рис. 28. Устройство для нанесения жидкой фазы динамическим способом с точным измерением объема пропущенного раствора

/ - вентиль тонкой регулировки; 2 - емкость для раствора жидкой фазы; 3 и 5 - мерные трубки; 4 - капиллярная колонка

Рис, 29. Устройство для нанесения жидкой фазы на поверхность стеклянных капилляров динамическим способом

/ - осушитель; 2 - вентиль тонкой регулировки; 5 - капиллярная колонка; 4 - цилиндр с миллиметровыми делениями по окружности; 5 - соединительная трубка; 6 - буферный капилляр

ность колонок. Удобно расположить капилляр при нанесении жидкой фазы динамическим методом в виде плотной, виток к витку, намотки на вертикально стоящем цилиндре диаметром 100-200 мм.

Типичное расположение элементов аппаратуры при нанесении жидкой фазы динамическим способом показано на рис. 29 [4]. В этом случае вначале в колонку с помощью шприца и кусочка фторопластовой трубки вводят раствор жидкой фазы с концентрацией 1-10%. Количество раствора должно быть достаточным для образования пробки длиной 1-3 м. Затем присоединяют газовую коммуникацию и продвигают пробку давлением газа.

Если капилляр прозрачен, т. е. выполнен из стекла или пластика, то за продвижением пробки раствора можно следить непосредственно, контролируя скорость с помощью секундомера. Для облегчения визуального контроля можно добавить в раствор небольшое количество подходящего красителя. В случае металлических капилляров скорость продвижения пробки раствора контролируют по величине объемной скорости вы-

Рис. 30. Микрофотография внутренней поверхности металлического капилляра диаметром 0,25 мм

тесняемого газа, который можно собирать в миниатюрную градуированную пробирку.

Следует отметить, что внутренняя поверхность всех металлических капилляров весьма далека от исходных предпосылок теории капиллярной хроматографии об идеально гладких трубках. Как показывают результаты микрофотографических исследований эта поверхность имеет сильно развитую систему мелких складок, морщин, трещин и прочих неровностей, величина которых достаточно велика и может составлять 1-2% от диаметра капилляра (рис. 30) [10]. Если колонки из трубок с такой поверхностью готовят динамическим способом, то высокие числа теоретических тарелок можно получить лишь при очень медленном нанесении жидкой фазы в течение 3^1 час [55]. Это связано с тем, что при более быстром пропускании пробки жидкого раствора неподвижной фазы не происхо-

дит смачивания поверхности узких и глубоких трещин, остающихся заполненными газом (как, например, при попытке заполнить струей воды из водопровода сосуд с узким горлом диаметром 3-5 мм). Это приводит к неравномерному распределению неподвижной фазы на стенках капилляра и, как следствие, к низкой эффективности получаемых колонок.

С помощью динамического метода можно наносить на внутреннюю поверхность капиллярных трубок не только слои неподвижных жидких фаз, но и слои пористых твердых носителей и адсорбентов [56]. При этом применяют обработку используемых растворов ультразвуком и тщательное фильтрование суспензий наносимых тонкодисперсных материалов (каолина, цеолитов, силикагелей и других материалов).

Важными практическими преимуществами динамического способа являются простота применяемой аппаратуры и возможность нанесения жидкой фазы на стенки колонок, уже имеющих ту конфигурацию, которая определяется конструкцией применяемого хроматографа. Почти все необходимые операции несложны, а затрата времени относительно невелики. Однако при использовании динамического метода нанесения неподвижных фаз получение точных данных о толщине образующихся пленок связано с некоторыми затруднениями.

НАНЕСЕНИЕ НЕПОДВИЖНЫХЖИДКИХ ФАЗ СТАТИЧЕСКИМ СПОСОБОМ

Статический способ приготовления металлических или пластиковых капиллярных колонок, применявшийся впервые Голеем [57], осуществляют следующим образом. Обрабатываемый капилляр целиком заполняют раствором жидкой фазы, герметически закрывают один его конец и открытым концом вперед медленно продвигают внутрь термостата, нагретого выше температуры кипения растворителя. При этом растворитель испаряется, оставляя на стенках капиллярной трубки равномерную пленку жидкой фазы. Для осуществления такого процесса необходимо специальное приспособление, обеспечивающее постепенное втягивание капилляра в термостат (рис. 31). Конец капилляра, закрепленный на подающем барабане, закрыт. Температура термостата 5 на 20-30° С превышает температуру кипения растворителя. Необходимость такого оборудования, а также то, что окончательная форма может быть придана готовой колонке только после завершения про-

рис. 31. Установка для нанесения неподвижной фазы на металлические и пластиковые капилляры статическим способом

цесса нанесения неподвижной фазы, затрудняет применение этого метода на практике. С другой стороны этот способ нанесения неподвижной фазы

позволяет точно знать количество жидкой фазы в колонке и соотношение объемов жидкой и газообразной фаз в ней.

Количество неподвижной фазы в колонке рассчитывается из

ее геометрических размеров и концентрации раствора:

(4-12)(4-12)ndr т с

(4-12)

(4-12)

Ш; =Ш; =—-Lр,.

Ш; =

Ш; =

4100

Отсюда можно найти толщину пленки неподвижной жидкой фазы:

d=(4-13)

f Kd.Lp, 2 WO

p=^/V,=(100-c)/c.p=^/V,=(100-c)/c.(4-14)(4-14)Величина p не зависит от диаметра капиллярной трубки и вычисляется, исходя из концентрации раствора:

p=^/V,=(100-c)/c.

p=^/V,=(100-c)/c.

(4-14)

(4-14)

Если диаметр капилляра выражается в миллиметрах, его длина - в метрах, масса жидкой фазы - в миллиграммах, a dj-в микрометрах, то формулы (4-12) и (4-13) преобразуются в следующие выражения:

т, = 2,5^f2Lp( ■ с / 100(мг), (4-15)

(4-16)(4-16)d, = 2,5с?сс(мкм).

(4-16)

(4-16)

В то же время из формулы (4-16) следует, что при заданной концентрации раствора толщина жидкой пленки будет увеличиваться пропорционально диаметру капилляра. На практике желательно, чтобы пленка имела наибольшую толщину, при которой еще сохраняется ее устойчивость. Это соответствует толщине пленки около 1 мкм, что определяет концентрацию раствора, равную 1-2% или менее. Такая концентрация примерно в 5-10 раз меньше, чем концентрация раствора при динамическом спо-

собе нанесения жидкой фазы. Это имеет существенное значение при нанесении полимерных жидких фаз с высокой молекулярной массой, особенно таких как каучукоподобные полисилоксаны. Вязкость растворов этих веществ очень быстро растет с их концентрацией, так что уже 3—5%-ные растворы трудно продавить через капиллярные трубки с диаметром, меньшим 0,5 мм.

Интересную модификацию статического способа нанесения жидких фаз предложили Буше и Верцеле [58}. Капиллярную трубку после заполнения раствором жидкой фазы и герметизации одного из ее концов присоединяли к вакуум-насосу, что обеспечивало полное испарение растворителя и формирование пленки жидкой фазы в течение нескольких суток. Этот вариант статического метода связан с довольно большой затратой времени. Однако процедура не требует участия оператора и может обеспечить приготовление нескольких колонок одновременно. Эти обстоятельства, а также возможность применения такого способа к капиллярам, уже имеющим форму, соответствующую конструкции данного хроматографа, обеспечили этому способу достаточно широкое распространение. Важным преимуществом этого способа нанесения неподвижных фаз является возможность приготовления стеклянных капиллярных колонок, форма которых не может изменяться в процессе нанесения жидкой фазы [58].

При осуществлении операции нанесения неподвижной фазы статическим способом особую проблему составляет способ герметизации свободного конца капиллярной колонки. Предложены несколько различных способов выполнения этой операции, среди которых можно указать применение силикатного клея [58], погружение конца капилляра в расплавленный воск или парафин [59] и некоторые другие способы [60-62]. По-видимому, избежать этой операции и получить сходные результаты можно, поместив несколько заполненных растворами жидких фаз капилляров в вакуумированный сосуд достаточной вместимости (например, в достаточно большой эксикатор), с тем, чтобы испарение растворителя осуществлялось бы одновременно через оба открытых конца каждого капилляра. Однако такой вариант данного способа до настоящего времени описан не был.

Очень важное значение при нанесении неподвижных фаз на стенки капилляров по Буше и Верцеле имеет полное освобождение применяемого раствора от растворенных в нем газов. Это достигается предварительным выдерживанием раствора под вакуумом с остаточным давлением 1-2 мм рт. ст., либо просто путем медленной отгонки примерно 1/3-1/2 объема растворителя.

В целом, статический способ обеспечивает лучшую воспроизводимость получаемых капиллярных колонок, так как позво-

ляет исключить влияние целого ряда трудно контролируемых факторов, характерных для динамического способа. Поэтому статический способ нанесения неподвижной фазы следует считать в настоящее время более предпочтительным. Детальное описание хорошо отработанной техники выполнения статического нанесения неподвижных фаз приведено в работе [63].

КАПИЛЛЯРНЫЕ КОЛОНКИ СО СТЕНКАМИ,ПОКРЫТЫМИ ТВЕРДЫМ НОСИТЕЛЕМ

Идея об использовании капиллярных колонок с пористым слоем на стенках, обладающим резко увеличенной площадью поверхности, была высказана уже в самых первых работах Голея [57]. В 1960 г. Голей [64] сделал первые попытки реализации этой идеи. В первых опытах на стенки капиллярной трубки наносили слой коллоидальной глины, который затем подвергали термической обработке, после чего наносили жидкую неподвижную фазу динамическим способом. Позже были описаны также успешные опыты по нанесению слоев пористых твердых носителей на стенки капилляров динамическим методом - пропусканием через капилляры суспензий мелкодисперсных материалов [50, 65]. В последней работе суспензию, приготовленную из 200 мг английского каолина и смеси 35 мл чеыреххлористого углерода, 15 мл хлороформа и 40 мг неподвижной фазы FFAP, обрабатывали 60 мин на ультразвуковой бане. Через подготовленный капилляр пропускали две порции по 2 мл приготовленной таким образом суспензии в двух противоположных направлениях. Затем колонку промывали два раза порциями хлористого метилена объемом 10 мл, сушили в токе сухого азота и прогревали 1 час при 400°С при непрерывном продувании сухого азота.

При нанесении слоев графитированной сажи смесь 65 мг Кар- бопака А (фирма Су пел ко, США), 20 мл четыреххлористого углерода, 5 мл хлористого метилена и 7,5 мг FFAP обрабатывали 40 мин на ультразвуковой бане и пропускали через подготовленный капилляр. После трехкратной промывки порциями по 10 мл хлористого метилена колонку высушивали в токе азота и наносили неподвижную фазу по методике, описанной в работе [66]. Для этой цели колонку заполняли раствором неподвижной фазы в хлористом метилене, закрывали оба ее конца и выдерживали 48 час при 20° С, после чего удаляли раствор продувкой азотом и кондиционировали колонку 12 час при выбранной рабочей температуре.

В альтернативном варианте метода суспензию графитированной сажи в подходящем растворителе обрабатывали ультразвуком и испаряли растворитель почти досуха. Затем добавляли неподвижную жидкую фазу, тщательно перемешивали, добавляли растворитель и смесь пропускали через капилляр под давлением азота в двух противоположных направлениях примерно за 10 мин.

При использовании в качестве неподвижной фазы Версамида поступали следующим образом. К 100 мг графитированной сажи добавляли 2 мл 0,06 М раствора КОН в метаноле и полученную суспензию обрабатывали ультразвуком. Далее испаряли растворитель, прибавляли раствор Версамида (12 мг/мл) в смеси хлороформ-метанол (1:1) и тщательно перемешивали при продувке азотом. Затем полученную пасту суспендировали в смеси бутанола с хлористым метиленом (1:9) и наносили на подготовленный капилляр как описано выше.

Характеристики микронаполненных и капиллярных колонок с пористым слоем графитированной сажи были изучены также в работе Уэлша, Энгевальда и Поршмана [66].

С применением каолина были приготовлены высокоэффективные колонки с полисилоксанами SP 2100, SP 2340, SE-54, FFAP, а также с полиэтиленгликолями Карбовакс 1500 и Карбовакс 20М. В колонках со стенками, покрытыми графитированной сажей, с успехом применяли в качестве неподвижных фаз полисилоксан SP 2100, Карбовакс 20М и FFAP. Несколько худшие результаты были получены при использовании Апиезона L, хотя и в этом случае эффективность приготовленных колонок была достаточно высокой.

Для разделения пространственных изомеров метиловых эфиров непредельных жирных кислот были с успехом использованы капиллярные колонки с пористым слоем на основе коллоидального кремнезема Т-40 и с Силаром CS-10 в качестве жидкой фазы [67]. В этой работе особо отмечается достаточно высокая стабильность полученных колонок, сохранявших высокую эффективность в течение нескольких месяцев.

В 1963 г. были опубликованы работы Халаша и Хорвата [58, 69], которые применяли статический способ нанесения пористых слоев твердых носителей и активных адсорбентов. Эти авторы впервые применили статический способ не только для нанесения жидкой фазы на гладкие стенки капиллярных трубок, но и для формирования на их стенках слоев пористого инертного носителя [68] или активного адсорбента - графитированной сажи [69]. Эту операцию проводили следующим образом. Силикатный твердый носитель Стерхамол измельчали в мельнице и отмучи-

ванием в воде выделяли фракцию с размером частиц до 1 мкм. Воду удаляли кипячением с ксилолом и сухой твердый носитель суспендировали при энергичном перемешивании в смеси четыреххлористого углерода и бромистого метилена (1:1). Содержание твердого носителя в суспензии составляло около 10%. К полученной суспензии добавляли 2% сквалана и 0,05% поверхностно-активного вещества Алкатерг Т. Полученную смесь нагнетали в капиллярную трубку длиной 30 м и диаметром 0,5 мм азотом под давлением 100 атм. После заполнения трубки ее один конец герметически закрывали, а второй конец медленно вводили в термостат, нагретый до 100° С. После того, как весь капилляр был введен в термостат, не прекращая обогрева, открывали закрытый конец и продували колонку азотом в течение нескольких часов до полного удаления растворителя. Аналогично была приготовлена капиллярная колонка длиной 28,5 м со стенками, покрытыми мелкодисперсным оксидом железа с 10% триэтиленгликоля. На 1 м длины колонки приходилось 5,5 мг оксида железа и 0,55 мг триэтиленгликоля, что близко к содержанию жидкой фазы в обычной капиллярной колонке. Однако вследствие того, что в данном случае жидкая фаза была распределена на поверхности твердого носителя, значительно превышающей поверхность чистого капилляра, эффективная толщина жидкой пленки была значительно меньше. В результате эффективность колонки со стенками, покрытыми твердым носителем, была существенно выше, чем эффективность колонок обычного типа, достигая 4-5 тыс.т.т на 1 м длины (рис. 32).

Аналогично Халаш и Хорват готовили адсорбционные капиллярные колонки, нанося на внутреннюю поверхность капиллярных трубок сажу с частицами размером 0,01-1,00 мкм, графитированную нагреванием при 3000°С. Колонка длиной 15 м с внутренним диаметром 0,5 мм содержала 11,5 мг графитированной сажи и имела полную эффективность, превышающую 10 тыс.т.т. В экспериментах Халаша и Хорвата было показано, что внутренняя поверхность капилляра диаметром 0,5 мм после нанесения пористого слоя увеличивалась в 130 раз, что приводило к снижению р до 35,5, в то время как ВЭТТ сохраняла значение, характерное для исходного капилляра, покрытого пленкой жидкой фазы толщиной около 0,6 мкм.

Аналогичный способ приготовления колонок использовали Эттре, Парселл и Норем [1, 701 11 Другие исследователи [71-73]. В число твердых носителей, применявшихся в этих работах входят Хромосорб и целит, а в качестве неподвижных фаз применялись бентон 34, фенильное силиконовое масло DC-55O и полиэтиленгликоль 1500. Образующиеся пористые слои, описанные в

Рис. 32. Хроматограмма, полученная на капиллярной колонке со стенками, покрытыми твердым носителем

7 - метан; 2 - я-пентан; 3 - 2,2,- диметилбутан; 5 - н-гексан; 6 - н- гептан

этих работах, занимали до 42% поперечного сечения капиллярной трубки. В этом случае количество жидкой фазы в колонке, а, следовательно, и к возрастали более, чем в 100 раз. Это показывает значительные преимущества колонок с пористым слоем твердого носителя на стенках (SCOT-колонок) по сравнению с обычными капиллярными колонками.

Ряд промежуточных слоев из мелкодисперсных силикатных материалов изучен в работе автора [74]. Для создания промежуточных пористых слоев были использованы аэросил, дезактивированный кипячением в ксилоле с гексаметилдисилазаном, три- метилхлорсиланом и пиридином, пирокремнезем - продукт сгорания силиконового масла на воздухе и цемент, высушенный при 450° С. При двухкратном нанесении динамическим способом по- лидиметилсилоксана Е-301 и полиметилтрифторпропилсилокса- на СКТФТ-50 из 5%-ного раствора в хлористом метилене или в ацетоне были получены капиллярные колонки с удельной эффективностью 1200-1700 т.т./м. Особо следует отметить возможность получать высокоэффективные капиллярные колонки при использовании такого широко доступного материала как цемент.

В настоящее время разработаны весьма разнообразные приемы формирования слоев пористых или тонкодисперсных материалов на внутренней поверхности капиллярных трубок. В частности, ряд усовершенствований процесса образования пористых слоев описан в работах Гранта [75] и Бруле и Дюбуа [76]. Интересной модификацией колонок со стенками, покрытыми твердым носителем, являются колонки, в которых роль твердого носителя выполняет слой вспененного органического полимера [77]. Многочисленные литературные данные о технологии изготовления и рабочих характеристиках колонок с покрытыми твердым носителем стенками подвергнуты критическому рассмотрению в обзоре Эттре [78]. Ряд технологических приемов позволяет формировать пористые слои инертных носителей непосредственно при изготовлении исходной капиллярной трубки. Ввиду того, что большая часть таких работ выполнена со стеклянными

капиллярными колонками, подробное рассмотрение этих работ будет проведено в следующей главе. В настоящее время колонки с покрытыми инертными твердыми носителями стенками изготовляются серийно и поставляются потребителям рядом зарубежных фирм, специализирующихся в области хроматографии. Судя по публикуемым хроматограммам, в большинстве случаев наблюдаемая эффективность современных капиллярных колонок такого типа составляет 1500-1700 т.т. на 1 м их длины.

КАПИЛЛЯРНЫЕ КОЛОНКИДЛЯ ГАЗОАДСОРБЦИОННОЙ ХРОМАТОГРАФИИ

Преимуществами газо-адсорбционной хроматографии являются высокая стабильность адсорбционных колонок, их почти неограниченная термостойкость, отсутствие осложнений, связанных с испарением или деструкцией жидкой фазы и, наконец, достаточно высокая разделяющая способность. Поэтому неудивительно, что на разработку технологии приготовления высокоэффективных адсорбционных капиллярных колонок были затрачены значительные усилия. По-существу, адсорбционными колонками могут быть любые капиллярные колонки, работающие при температуре, более низкой, чем температура плавления жидкой фазы, как, например, в работе Сояка и Крупчика [79]. В этом исследовании на колонках с Карбоваксом 20М при температуре ниже его температуры плавления (при 20-70°С) были успешно разделены ундекан и цис- и транс-изомеры 2-ундецена.

Первые попытки изготовления таких колонок были связаны с опытами Златкиса и Уокера [80] и Халаша и Хорвата [63]. Первые авторы пытались осуществить хроматографическое разделение различных углеводородов, в том числе соединений с довольно большой молекулярной массой, на слоях золота, серебра, платины и ртути, осажденных на внутренней поверхности медных капилляров путем продавливания через них растворов солей соответствующих металлов. В этих экспериментах удалось добиться некоторых успехов, таких, например, как разделение цис- и трлнодекалинов за три мин при комнатной температуре, однако в большинстве случаев наблюдалось сильное искажение формы пиков. Более успешным оказалось использование таких осадков в качестве промежуточных слоев при нанесении жидких стационарных фаз.

Более успешными были эксперименты Халаша и Хорвата [63]. Эти авторы статическим способом наносили на стенки капилляров слои графитированной сажи. Сначала 15 г графитированной сажи

Рис. 33. Разделение смеси метана и галогенопроизводных углеводородов на капиллярной колонке со стенками, покрытыми графитированной сажей

/ - метан; 2 - хлористый метилен; 3 - хлороформ; 4 - 1,1,2-трифтор-1.2.2- три хлората и; 5 - четыреххлористый углерод

суспендировали при очень энергичном перемешивании в смеси 220 мл трифтортрихлорэтилена и 30 мл четыреххлористого углерода, Полученной суспензией заполняли капиллярную трубку, затем закрывали ее один конец и

удаляли растворитель, медленно вводя капилляр открытым концом вперед в термостат, нагретый выше температуры кипения растворителя. Благодаря высокой адсорбционной способности и очень однородной поверхности графитированной сажи удалось получить отличное разделение ряда углеводородов и других соединений при значительно большей величине проб, чем допускают обычные капиллярные колонки (рис. 33).

Слои адсорбентов типа силикагеля наносили на внутреннюю поверхность капилляров, выполненных из металлов (меди и нержавеющей стали) и полиамидных пластиков (найлона и дельри-

772

7

7

ЮЮ2020303040 Время, мнн40 Время, мнн, 3

Ю

Ю

20

20

30

30

40 Время, мнн

40 Время, мнн

Рис. 34. Анализ образца природного газа на алюминиевой колонке с пленкой окиси алюминия. Длина колонки 17 м, диаметр 0,5 мм. Температура 100°С; скорость газа-носителя (СО2) 2 мл/мин

/ - метан: 2 - этан; 3 - пропан; 4 - изобутан; 5 - «-бутан; 6 - неопентан; 7 - изопентан: 8 - н-пентан; 9 - циклопентан: 10 - группа пиков изомеров гексана; I! - н-гексан

на). Капилляры имели длину 25-30 м и диаметр 0,5-0,85 мм [81]. Через капилляры пропускали золь кремнезема Налькоас 1022, содержащий 22% коллоидальной двуокиси кремния, диспергированной в смеси воды и изопропанола. Кроме того, применяли также золи кремнекислоты, диспергированной в воде, циклогексане или бензоле (водный золь носит название Каб-О-Сил). Полученные капиллярные колонки оказались очень удобными для разделения легких углеводородов до С7, которое может успешно осуществляться даже при комнатной температуре. Позже [82] было описано разделение смеси 39 углеводородных компонентов при 0°С на капиллярных колонках, приготовленных путем пропускания через капилляры золей гидрофобного кремнезема Нелко-СД-100.

Парселл [83] наносил слой мелкораздробленного цеолита (молекулярного сита 5А) на стенки медного капилляра диаметром 1 мм. Полученные адсорбционные колонки давали возможность с высокой эффективностью разделять перманентные газы при комнатной температуре за две-три мин. Преимущества таких колонок подробно обсуждаются в работе [84].

Киркланд [85] описал ряд удачных разделений полигалогено- метанов типа фреонов на колонках длиной 8-10 м и диаметром 0,2541,50 мм со стенками, покрытыми силикатным коллоидным адсорбентом - волокнистым богемитом, имевшим удельную поверхность порядка 275 м2/г. Полное разделение довольно сложных смесей достигалось меньше, чем за две мин.

Интересные данные были получены при исследовании адсорбционных колонок со стенками, покрытыми оксидом алюминия. Опыты по нанесению оксида алюминия на стенки капилляров, проведенные Халашем и Хорватом [68], не привели к достаточно удачным результатам. Большего успеха добились Птижан и Лефто [13], разработавшие способ формирования слоев оксида алюминия примерно 5 мкм толщиной на внутренней поверхности алюминиевых капилляров длиной 20-30 м и диаметром 0.500-0,625 мм. Поверхность адсорбента достигала 4,6 м2 на 1 м длины колонки. Эти колонки успешно применялись для разделения смесей низших углеводородов типа природного газа. Смеси, содержащие гексан, анализировали при 100°С (рис. 34). При наличии в анализируемой смеси углеводородов С7-С9 температуру колонки повышали до 225°С.

При работе с адсорбционными колонками с оксидом алюминия наблюдается чрезмерно энергичная адсорбция непредельных соединений, что затрудняет анализ ряда практически важных смесей. Для устранения этого нежелательного явления было предложено модифицировать оксид алюминия путем добавления долей процента малолетучих жидких фаз, как и в случае напол-

ненных колонок [86]. При работе в области температур выше ’ 100°С в потоке газа-носителя водорода оксид алюминия может -^ проявлять каталитические свойства, способствующие гидрогени- зации ненасыщенных соединений.л

Довольно успешным оказалось применение адсорбционных j капиллярных колонок с солями щелочных металлов, например, с , хлоридом рубидия [87]. Такие колонки термически устойчивы по крайней мере до 450°С и при длине всего 3-5 м позволяют осуще- , ствить разделение высококипящих алканов и полициклических ароматических углеводородов.

Ряд полезных и перспективных приемов формирования адсорбционных слоев на внутренней поверхности колонки разработан специально для стеклянных капилляров. Эти приемы будут : подробно рассмотрены в следующей главе.

ЗАВЕРШАЮЩИЕ ОПЕРАЦИИ В ПРОЦЕССЕПРИГОТОВЛЕНИЯ КАПИЛЛЯРНЫХ КОЛОНОК

При нанесении пленки неподвижной жидкой фазы статическим способом по окончании испарения растворителя открывают закрытый конец колонки и продувают колонку инертным газом в течение нескольких часов при температуре испарения растворителя. При этой операции из колонки удаляются пары растворителя, оставшиеся в ее газовом объеме, и следы растворителя и других летучих компонентов, содержащихся в жидкой фазе. К этой простой операции и сводится окончательная подготовка колонки к работе. После охлаждения колонки при непрерывном пропускании через нее инертного газа ей придают форму, требуемую конструкцией хроматографа, и приступают к ее эксплуатации.

При использовании динамического способа нанесения неподвижной фазы после прохода пробки раствора жидкой фазы на стенках колонки остается весьма неустойчивая пленка жидкости, требующая очень осторожной и тщательной обработки для полного удаления растворителя и формирования устойчивого слоя жидкой стационарной фазы. Такая обработка, называемая кондиционированием колонки, проводится следующим образом. Вначале колонку при комнатной температуре продувают в течение нескольких часов медленным током инертного газа для удаления основной массы растворителя. На протяжении примерно четырех часов скорость газа увеличивают от 0,03-0,05 до 1-2 мл/мин. Затем колонку помещают в термостат и, не прерывая поток инертного газа, начинают медленно поднимать температуру со

скоростью 1-2 град./мин до значения на 20-30°С выше предполагаемой рабочей температуры, либо на 10-20°С ниже предела термической устойчивости неподвижной фазы. При этой температуре выдерживают колонку несколько часов (например, в течение ночи). Затем колонку медленно охлаждают до комнатной температуры и, если кондиционирование проводилось в отдельном термостате, переносят в термостат хроматографа.

Процесс кондиционирования, в зависимости от конкретных условий может занимать от двух-трех до 10-15 часов и более. В процессе кондиционирования из колонки полностью удаляются следы растворителя жидкой фазы и все летучие примеси. В случае необходимости колонку хранят с герметически закрытыми концами. Это предохраняет неподвижную фазу от контакта с воздухом и препятствует таким образом ее окислению или загрязнению компонентами, сорбируемыми из атмосферы. Длительное хранение колонок при комнатной температуре может приводить к потере их разделяющей способности. Это особенно характерно для колонок с неподвижными фазами, твердыми при комнатной температуре или способными к рекристаллизации (высокомолекулярные полиэтиленгликоли, некоторые полиэфиры, 7,8-бензохинолин. Верса- мид и др.) [88]. В настоящее время при изготовлении капиллярных колонок завершающие операции часто включают иммобилизацию или химическую сшивку неподвижной фазы. Эту операцию наиболее часто осуществляют при нанесении полисилоксановых и полиэтиленгликолевых неподвижных фаз на стеклянные и кварцевые капиллярные колонки. Подробное описание этого процесса приведено в следующей главе.

В заключение этого раздела следует заметить, что не следует экономить время, затрачиваемое на приготовление капиллярной колонки. Срок службы хорошо приготовленной колонки может измеряться по крайней мере несколькими годами, так что даже несколько недель, затраченные на ее приготовление, будут в конце концов многократно оправданы.

ПОДАВЛЕНИЕ АДСОРБЦИОННОЙ АКТИВНОСТИГАЗОЖИДКОСТНЫХ КАПИЛЛЯРНЫХ КОЛОНОК

Любой твердый носитель неподвижной жидкой фазы, в том числе и стенки капиллярных трубок, способен в большей или меньшей степени адсорбировать молекулы разделяемых веществ. Вследствие весьма малого содержания жидкой фазы в капиллярных колонках даже незначительное проявление адсорб-

ционной активности вызывает заметное искривление изотерм сорбции, что немедленно приводит к резкому снижению эффективности разделения и искажению формы пиков, приобретающих сильно размытые задние фронты (“хвосты”). Поэтому в капиллярной хроматографии большое внимание уделяется разработке способов снижения остаточной адсорбционной активности колонок.

Простейшим приемом подавления нежелательной адсорбционной активности, особенно в случае применения неполярных жидких фаз, является добавление к ним 1-2% поверхностно-активных веществ, одновременно облегчающих формирование равномерной жидкой пленки на стенках колонки. Типичными примерами таких добавок являются моноолеиновый эфир шестиатомного спирта сорбита Атпет 80 [89], аналогичный продукт Спан 80, эфиры жирных кислот С,6-С18 и сорбита, этерифициро- ванные в свою очередь остатками полиэтиленгликоля - Твин 60, Твин 80 и др. Часто применяемой поверхностно-активной добавкой является замещенный оксазолин Алкатерг Т [90], ал кила- ри л сульфонаты, детергент ОП-7 и др. При разделении высокополярных соединений, например, свободных жирных кислот, содержание поверхностно-активных веществ приходится увеличивать до 4-10% [91], что оказывает заметное влияние на разделяющие свойства неподвижной фазы (рис. 35).

Более сложные варианты обработки внутренних стенок капилляра, существенно изменяющие природу их поверхности, описаны в уже рассматривавшейся выше работе Златкиса и Уокера [80]. В этой работе на внутреннюю поверхность медных капилляров наносили слои золота, серебра и платины. Для этого через капилляры пропускали 15%-ные водные растворы хлорного золота, цианистого серебра или тетрахлороплатинатов, что приводило к значительному увеличению эффективности колонок, даже при разделении углеводородов. Аналогичный результат был получен при обработке внутренней поверхности капилляров раствором бихромата калия, окислявшего медь до оксида. По-существу, эти методы приводили к замене меди на внутренней поверхности капиллярных трубок другим материалом, либо к созданию промежуточного слоя, прочно связанного с поверхностью металла и в то же время хорошо удерживающего неподвижную фазу. В одной из первых попыток создания такого слоя медные капилляры покрывали изнутри слоем оксида меди. Для этого медный капилляр длиной 100 м и диаметром 1 мм промывали 40%-ной азотной кислотой и затем дистиллированной водой. После такой очистки внутреннюю поверхность капилляра подвергали окислению пропусканием сухого кислорода при

Рис. 35. Хроматограмма смеси свободных жирных кислот, полученная на колонке длиной 60 м и диаметром 0,5 мм при температуре 1404? и скорости газа-носителя (гелия) 15 мл/мин. Неподвижная фаза-тример- ная кислота С54 с добавкой 4% динонилнафталинсульфокислоты

/ - ацетон; 2 - уксусная кислота; 3 - пропионовая кислота; 4 - масляная кислота; 5 - валериановая кислота; 6 - капроновая кислота; 7 - гептановая кислота; 8 - каприловая кислота

2 00-250°С в течение 5-7 час. В результате этой операции на внутренней поверхности капилляра формировался губчатый слой оксида меди, который не только облегчал образование стабильной пленки неподвижной фазы, но еще позволял по крайней мере вчетверо увеличить ее количество. При этом в опытах по разделению весьма трудно делящихся 2-метилпентана и 3-метилпен- тана оказалось возможным увеличить объем вводимой пробы с 0,5 до 1,6 мкл без снижения качества разделения. В этих опытах неподвижную фазу наносили статическим способом. Попытки использования различных вариантов динамического способа не привели к хорошим результатам.

Златкис и Уокер [80], а позднее Керер, Штруппе и Лейбниц [93] наносили на стенки капилляров промежуточные покрытия из эпоксидных смол, поливинилового спирта и других полимерных материалов. Авторы этих работ учитывали, что материалы промежуточных слоев должны хорошо связываться с поверхностью металлов или пластиков, и в то же время они должны хо-

рошо смачиваться наносимыми неподвижными жидкими фазами. Одновременно эти материалы должны обладать достаточной термостойкостью и быть нерастворимыми в жидких фазах и в растворителях, применяемых при их нанесении.

Этим требованиям в наибольшей степени отвечают промежуточные слои из эпоксидных смол. Для образования промежуточного эпоксидного слоя смесь исходной смолы и отвердителя в соотношении 2:1 растворяли в о-дихлорбензоле. Концентрация раствора могла изменяться в пределах 5-15%. Приготовленный таким образом раствор продавливали через капиллярную трубку так же как и при нанесении неподвижной фазы динамическим способом. После удаления растворителя капилляр нагревали 12 часов при 90°С для отверждения смолы, не прерывая ток газа. На подготовленный таким образом капилляр обычным путем наносили неподвижную жидкую фазу. При этом оказалось возможным получить высокоэффективные металлические и пластмассовые колонки с такими полярными жидкими фазами, как полиэтиленгликоль, трикрезилфосфат, Эмульфор О и др.

В настоящее время представляется перспективным применять для создания промежуточных слоев современные материалы для лакокрасочных покрытий, например меламиналкидные смолы, силиконовые лаки и др. Однако сообщения об использовании колонок с такими слоями весьма немногочисленны, Одно из немногих исследований в этом направлении, выполненное в лаборатории автора, показало, что капиллярные колонки из медных сплавов с высокой разделительной способностью (с полной эффективностью более 50 тыс.т.т.) могут быть получены при нанесении на внутреннюю поверхность капилляров промежуточных слоев из меламинформальдегидных эмалей или грунтов для лакокрасочных покрытий [74]. Ряд промежуточных слоев, наносимых на стеклянные капиллярные колонки, подробно рассмотрен в следующей главе.

ЛИТЕРАТУРА

Eure L.S. Open tubular columns in gas chromatography. N.Y.: Plenum press, 1965.

Kaiser R, Chromatographic in der Gas-phase. T. 2. Kapillarchromatographie. Mannheim: Bibliogr. Inst., 1961.

Struppe H.-G. Ц Handbuch der Gaschromatographie // Ed. H.-G. Struppe.

E. Leibnitz, Leipzig: Akad.-VerL; Geest & Portig, 1966. S. 311. Pyc. nep.: Руководство по газовой хроматорафии. M.: Мир, 1969. С. 311.

Novotny М.. Zlalkis А. И Chromatogr. Rev. 197]. Vol. 14. P. 1.

Колмановский В.И., Киселев А. В., Лебедев В.П. и др. // Газовая хроматография, М.: Наука, 1964. С. 157.

Витт С.В., Бондарев В.Б., Полинин ВЛ. Ц Изв. АН СССР. Сер. хим. 1964, С. 1145.

Влодавец МЛ. И Жури. Аналит. Химии. 1968. Т. 23, № 7. С. 1380.

Денисенко А.Я., Иванова М.П., Лебедева В.И. и др. // Жури, прикл. химии. 1968. Т. 41. С. 2559.

Desty D.H. // Advances in chromatography // Ed. J.C. Giddings, R.A. Keller, N.Y.: Dekker, 1965. P. 199.

Пауков B.H., Руденко Б.А., Кучеров В.Ф. П Жури. Аналит. Химии. 1968. Т. 23, №7. С. 1247.

Desty D.H., Goidup A., Whytman В.Н.Р. // J. Inst. Petrol. 1959. Vol. 45. P. 257.

Kaiser R. Gas phase chromatography. L.; Wash. (D.C.): Butterworths, 1963. Vol. 2: Capillary gas chromatography.

Petitjean D.L., Leftault CJ, П J. Gas Chromatogr. 1963. Vol. 1. P. 18.

Zlatkis А. Ц Lectures on gas chromatography, 1962 / Ed. H.A. Szymanski. N.Y.: Plenum press, 1963. P, 87.

Golay MJ.E. H Gas chromatography / Ed. V.J. Coates et a!. N.Y.: Acad. Press, 1958. P. 1.

Scott R.P.W. //Nature. 1959. Vol. 183. P. 1753.

Scott R.P.W., Hazeldean G.S.F. Ц Gas chromatography, I960 / Ed. R.P.W. Scott. Wash. (D.C.): Butterworths, 1960. P. 144.

Struppe H.-G. // Sbomik о piynove chromatografie: Referaty prednesene na konferenci о plinove chromatografie. Bratislava, 1961.

Philips T., Owens D. H Gas chromatography, 1960 / Ed. R.P.W. Scott. L.: Butterworths, 1960. P. 350.

Scott R.P.W. 1/ Progress in industrial gas chromatography / Ed. H.A. Szymanski. N.Y.: Plenum press, 1961. P. 229.

Bombick D., Dinunzio J. // Chromatographia. 1981. Vol. 14, № 1. P. 19-22.

Tesarik K„ Komarek K. Capillary columns in gas chromatography. Prague: State Publ. Techn. Lit., 1985. Рус. пер.: Капиллярные колонки в газовой хроматографии. М.: Мир, 1987.

Shafrin E.G., Zisman W.A. Monomolecular layers. Wash. (D.C.): A.A.A. Symp. Publ., 1954.

Shafrin E.G., Zisman W.A. // J. Phys. Chern. 1960. Vol. 64. P. 519.

Zisman W.A. // Adhesion and Cohesion //Ed. P. Weiss. N.Y.: Elsevier, 1962. P. 280.

Zisman W.A. // Indust, and Eng. Chern. 1963. Vol. 55. P. 19.

Young T. // Philos. Trans. Roy. Soc. London. 1805. Vol. 95. P. 65.

Harkins W.D.H Chern. Rev. 1941. Vol. 29. P. 408.

Dupre A. Theorie mecanique de la Chaleur. P.: Gauthier-Villars, 1896.

Wenzel R.N. // Industr. and Eng. Chem. 1936. Vol. 28. P. 988.

Farre-Rins F„ Henniker J., Guiochon G. Il Nature. 1962. Vol. 196. P. 63.

Ryba M. //J. Chromatogr. 1976. Vol. 123, № 2. P. 317-325.

Muschik G.M., Miller M.H. H Abstr. 179th Nat. Meet, of the Amer. Chem. Soc., Houston, TX, March, 1980. Wash. (D.C.); 1980. P. 73.

Bertsch W., Pretorius V. H J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Common. 1982. Vol. 5. P. 498.

Porcaro PJ. И J. Gas Chromatogr. 1963. Vol. 1. P. 17.

HoUlsOL.il Anal. Chem. 1963. Vol. 35. P. 1921.

Хромченко ЯЛ., Руденко Б.А. Ц Журн. аналит. химии. 1981. Т. 36, № 10. С. 2000-2005.

Хромченко ЯЛ., Руденко Б.А. //Там же. С. 2006-2012.

Виноградова СД., Выгодский Я,С. И Успехи химии. 1973. Т. 42, № 7. С. 1225.

Sojak L, Berezkin V.G., Janak J. // J. Chromatogr. 1981. Vol. 209, № 1. P. 15-20.

Dijkstra G., de-Goey L. Ц Gas chromatography, 1958 / Ed. D.H. Desty. L.: Butterworths, 1958. P. 56. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография. М.: Изд-во иностр, лит., 1961. С. 61-69.

Novotny М., Bartle K.D., Blomberg L. // J. Chromatogr. 1969. Vol. 45. P. 469.

Bartie K.D., Bergsiedl L, Novotny M„ Widmark G. // Ibid. P. 256.

Novotny M., Blomberg L„ Bartie K.D. Ц J. Chromatogr. Set 1970. Vol. 8. № 7. P. 390.

Fairbrother F„ Stubbs A.E. H J. Chem. Soc. 1935. № 2. P. 527.

Taylor G. IJH. Fluid Meeh. 1961. Vol. 10. P. 161.

Goldsmith H.L., Mason S.G. Hi. Colloid Sci. 1963. Vol. 18. P. 237.

Goren S. HL Fluid Meeh. 1962. Vol. 12. P. 309.

Desiy D.H., Goldup A., Swanton W.T. // Gas chromatography / Ed. N. Brenner et al. N.Y.; L: Acad, press, 1962. P. 105.

Kaiser R. // Gas-Chromatograpbie. Leipzig: Akad.-Verl., 1962. S. 223.

Desty D.H., Goldup A. H Gas Chromatography, 1960 / Ed. R.P.W, Scott. Wash. (D.C): Butterworths, 1960. P. 162. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография. М.: Мир, 1964. С. 220-241.

Struppe H.-G. //Chem. Technol. 1962. Vol. 14. P, 114.

Novotny M., Zlatkis A. H L Chromatogr. Sci. 1970. Vol. 8. P. 346.

Пауков B.H., Руденко Б.А., Кучеров В.Ф. Н Изв. АН СССР. Сер. хим. 1968. № 1. С. 15.

Nikelly J.C. Н Anal. Chem. 1972. Vol. 44, № 3. Р. 623-627.

SJ.Golay M.J.E. Н Gas Chromatography, 1958 / Ed. D.H. Desty. L.: Butterworths. 1958. P. 36. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография. М.: Изд.-во иностр, лит., 1961. С. 39-60.

Bouche J., Verzele М. //J. Gas Chromatogr. 1968. Vol. 6. P. 501.

Eure L.S. Introduction to open tubular columns. Norwalk: Perkin-Elmer, 1978.

Jennings W. Gas chromatography with glass capillary columns. N.Y.: Acad, press, 1978. Рус. пер.: Газовая хроматография на стеклянных капиллярных колонках. М.: Мир, 1980.

Berthou F. //Spectra. 1981. Vol. 9, № 65. Р. 45-56.

Lochmuller С.Н., Fisk J.D. H L High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1981. Vol. 4, № 5. P. 232.

Grob K., Grob G. H Ibid. 1982. Vol. 5. P. 119.

Golay M.J.E. H Gas chromatography, 1960 / Ed. R.P.W. Scott. Wash., (D.C.): Butterworths, I960. P. 139: Рус. пер.: в кн.: Газовая хроматография. М.: Мир, 1964. С. 187-194.

Liberty A., Goretti G., Russo M.V. //J. Chromatogr. 1983. Vol. 279. P. 1-8.

VVY/sc/i Th,, Engewald VP., Poerschman J. // J. Chromatogr. 1978. Vol. 148. Ke 1. P. 143.

Kozuharov S. H Ibid. 1980. Vol. 198, № 2. P. 153-155.

Halasz I., Horvath C. // Anal. Chem. 1963. Vol. 35. P. 499.

Halasz L, Horvath С. II Nature. 1963. Vol. 197. P. 71.

Ettre L.S., Purcell J.E., Norem S.D. // J. Gas Chromatogr. 1965. Vol. 3. P. 181.

Sandor P„ Vidal-Madjar C., Connord M.-F. et al. // Magy. kern. laia. 1978. Vol. 33, № 5. P. 232-239.

Vidal-Madjar C„ Bekassy S„ Connord M.-F. et al. Ц Anal. Chem. 1977. Vol. 49, № 6. P. 768-772.

Guiochon С. И Abstr. Pittsburgh Conf. Anal. Chem. and Appl. Spectroscopy, Cleveland, Ohio, 1977. Pittsburgh (Pa.), 1977. P. 268.

Руденко Б.А., Хромченко ЯЛ. // Журн. Аналит. химии. 1982. Т. 37, № 1.С. 99-109.

Grant D.W. // Ztschr anal. Chem. 1968. Bd. 236. P. 118.

Brule G., Dubois P. // Ann. techn. agr. 1969. Vol. 375. P. 18.

Crowlev R.P. Pat. 3407573. US. Publ. 1968.

Eure L.S. H Meth. Phys. Anal. 1969. Vol. 5. P. 167.

Sojak L., KrupcikJ. П J. Chromatogr. 1980. Vol. 190, Ne 2. P. 283-290.

Zlatkis A., Walker J.Q. Ц Anal. Chem. 1963. Vol. 35. P. 1359.

Schwartz R.D., Brasseaux D.J., Shoemake G.R. H Ibid. P. 496.

Schwartz R.D., Brasseaux D.J., Mathews R.G. H Ibid. 1966. Vol. 38. P. 303.

Purcell J.E.H Nature. 1964. Vol. 201. P. 1321.

Ettre L.S., Purcell J.E., BiUeb К. Ц J. Chromatogr. 1966. Vol. 24. P. 335.

Kirkland J J. I I Anal. Chem. 1965. Vol. 35. P. 1295.

Eggertsen F.T., Knight H.S., Groennings S. И Ibid. 1956. Vol. 28. P. 303.

Ober A.G., Cooke M„ Nickless G. И J. Chromatogr. 1980. Vol. 196. P. 237-244.

Averill VP. //Gas chromatography / Ed. N. Brenner et al. N.Y.: Acad, press, 1962. P. 1.

Коцев H. Справочник по газовой хроматографии. M.; Мир, 1976.

Averill W. //J. Gas Chromatogr. 1963. Vol. 1, Ne 1. P. 22.

Jentzsch D„ Hovermann W. // 14th Pittsburg Conf. Anal. Chem. and Appl. Spectroscopy, Pittsburgh, Pa., Mar. 4-8, 1963. Pittsburgh, 1963.

Kehrer C., Struppe H.G., Leibnitz E. 11 Gas-Chromatograph ie, 1965: Vortrage des V. Symp. fiber Gas-Chromatographic in Berlin, Mai, 1965. B.: Dt. Akad. Wiss., 1965. S. 247.

Глава 5

СТЕКЛЯННЫЕ И КВАРЦЕВЫЕКАПИЛЛЯРНЫЕ КОЛОНКИ

СТЕКЛЯННЫЕ И КВАРЦЕВЫЕКАПИЛЛЯРНЫЕ КОЛОНКИ

В МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХИ АНАЛИЗЕ НЕУСТОЙЧИВЫХ ВЕЩЕСТВ

Стекло, включая плавленый кварц, является одним из наиболее важных материалов для изготовления капиллярных колонок. Оно отличается от всех доступных металлов своей исключительно высокой химической инертностью. Специальными приемами обработки удается добиться значительного снижения адсорбционной способности стеклянных капилляров, что позволяет с успехом проводить анализы высокополярных органических соединений. С другой стороны, высокая термостойкость стекла является решающим преимуществом этого материала перед любыми известными в настоящее время полимерами, которые могут быть использованы для изготовления капиллярных колонок.

Только с применением стеклянных капиллярных колонок возможно изучение состава сложных смесей лабильных веществ, характерных для современных исследований в области биологии, судебной и клинической медицины, фармакологии и других дисциплин медико-биологического профиля. Разделение смесей жирных кислот и их производных, оксикислот, ряда терпеноидов и стероидных гормонов, аминоспиртов, аминокислот и их производных, продуктов химических превращений многоатомных спиртов и углеводов, анализ фармацевтических препаратов и их метаболитов, определение следов пестицидов в объектах окружающей среды - вот далеко не полный перечень задач, решаемых с помощью стеклянных капиллярных колонок.

При анализе сложных смесей близких по свойствам органических продуктов в синтетической органической химии инерт-

ность и термостойкость стекла также часто приобретают решающее значение. Анализ ацеталей и полиалкоксисоединений сложного строения, полигалогено- и полинитросоединений, аминов, аминоспиртов, ряда гетероциклических соединений, производных серы, таких, как меркаптаны и сульфиды, неизбежно требует применения максимально инертных стеклянных колонок с высокой разделяющей способностью. Только с помощью стеклянных капиллярных колонок оказалось возможным подойти к решению таких сложнейших аналитических задач, как определение состава запахов, летучих метаболитов человеческого организма, феромонов и аттрактантов насекомых и изучение состава и оценка уровня загрязнений окружающей среды.

Исследования ряда авторов [1-5] показали, что многие кислородсодержащие продукты естественного происхождения необратимо сорбируются или претерпевают химические изменения при контакте с нагретыми металлическими поверхностями. Аналогичные свойства проявляют многие сернистые и галогеносодержащие соединения [6-9]. Многие амины, аминоспирты и производные аминокислот при анализе на колонках, выполненных из медных сплавов или из нержавеющей стали, образуют сильно искаженные несимметричные пики, не позволяющие получить достоверную аналитическую информацию [10-14]. Причиной подобных явлений служат каталитические свойства металлов и их способность к хемосорбции азотистых соединений, возможно вследствие их повышенной способности к комплексообразованию. Показано, что ряд терпенов, содержащихся в природных продуктах, подвергается значительным изменениям при попытках газо-хроматографического анализа на металлических колонках [15]. Все эти наблюдения и факты убедительно свидетельствуют о том, что получение надежной информации о составе сложных смесей соединений природного происхождения может быть обеспечено лишь при использовании высокоэффективных колонок, выполненных из наиболее инертных материалов, самым доступным из которых является стекло.

Стеклянные капиллярные колонки, имеющие спиральную форму, при общей длине 50-100 м и наружном диаметре 1-2 мм удовлетворяют самым жестким требованиям по своей термостойкости и химической инертности. Они также обладают достаточной прочностью. Например, при падении с высоты 1-1,5 м разрушения таких колонок обычно не происходит. В настоящее время можно считать, что работа со стеклянными капиллярными колонками не требует особого экспериментального мастерства,

однако техника нанесения неподвижной фазы и присоединения стеклянных капиллярных колонок к детектору и испарителю хроматографа имеет свои особенности. Однако по мере развития технологии приготовления стеклянных капиллярных колонок и аппаратуры для работы с ними опасения, связанные с этими обстоятельствами, несомненно, будут становиться все менее и менее обоснованными. В начале развития капиллярной хроматографии можно было предполагать, что в будущем стекло полностью вытеснит все другие материалы для изготовления капиллярных колонок. Это предположение не подтвердилось в полной мере, однако сфера его применения значительно расширилась благодаря разработке капиллярных колонок из плавленого кварца, по своей прочности и удобству в работе намного превосходящих колонки из обычного стекла. В настоящее время капиллярные колонки из кварца занимают преобладающее место в капиллярной хроматографии, в значительной степени вытеснив все другие материалы.

Свойства стекла как конструкционного материала могут в широких пределах изменяться при изменении соотношения входящих в его состав компонентов. Столь же широко можно варьировать и физико-химические характеристики стекла и его поверхности. Стекла с высоким содержанием диоксида кремния проявляют кислые свойства, определяемые наличием на их поверхности силанольных групп Si-OH, способных диссоциировать с отщеплением протона. С другой стороны, стекла с высоким содержанием щелочных компонентов проявляют основные свойства и могут легко подвергаться поверхностной эрозии кислыми агентами. Стекло является единственным материалом, допускающим столь широкие изменения свойств поверхности путем простого изменения соотношения входящих в его состав компонентов. Столь же легко свойства поверхности стекла изменяются под действием разнообразных физико-химических факторов, Влажность, обработка жидкими и газообразными кислыми и щелочными агентами в широких пределах изменяют свойства поверхности стекла и таким образом определяют характер смачивания ее жидкой фазой и устойчивость образующейся пленки.

Высокая полярность поверхности, в частности полярность, связанная с присутствием агентов, способных вести себя, как льюисовские кислоты, например, ионов кальция, может приводить к заметному искажению формы пиков полярных соединений [16-18]. Было показано, что колонки хорошего качества для газо-жидкостной хроматографии могут быть приготовлены из стекла Пирекс или из аналогичных стекол с высоким содержанием кремнезема [19-21], С другой стороны, щелочные стекла бы-

ли с успехом использованы для приготовления колонок для адсорбционной хроматографии, причем активный адсорбент был получен соответствующей обработкой самой поверхности стеклянного капилляра [22-25].

Приготовление стеклянных капиллярных колонок осложняется наличием ряда нежелательных факторов, влияние которых затрудняет образование строго равномерной пленки жидкой фазы. Наиболее важным из этих факторов является недостаточная смачивающая способность большинства органических жидких фаз по отношению к необработанной поверхности стекла.

Стекло может быть отнесено к группе типичных твердых тел с высокой поверхностной энергией, несущих на поверхности электрические заряды [26]. Многие органические жидкости имеют на поверхности стекла большие углы смачивания и их растекание по поверхности, а тем более образование мономолекуляр- ных слоев происходит с большим трудом. Обычно на границе стекла и смачивающей жидкости образуется термодинамически нестабильный двойной электрический слой, обусловливающий явно выраженную тенденцию жидкой пленки разрываться и группироваться в отдельные мелкие капли [27, 28]. По-видимому, такая тенденция проявляется в меньшей степени только в случае жидких углеводородов и некоторых полиметилсилоксанов.

По данным Эттре [29], в большинстве случаев в капиллярных колонках по разным причинам реализуется не более 20-60% теоретически достижимой разделяющей способности. Поэтому именно в технологии изготовления стеклянных капиллярных колонок разработано наибольшее многообразие приемов предварительной обработки поверхности и нанесения жидкой фазы, позволившее добиться высокой разделяющей способности колонок, выполненных из этого дешевого, доступного, инертного и достаточно прочного материала.

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯСТЕКЛЯННЫХ КАПИЛЛЯРОВ БОЛЬШОЙ ДЛИНЫ

Капиллярные трубки длиной до 100-150 м при внутреннем диаметре 0,14),5 мм могут быть легко изготовлены из стеклянных заготовок длиной 1-2 м и диаметром 6-12 мм. Стеклянные капиллярные колонки достаточно прочны и могут служить достаточно долго (до нескольких лет) как в условиях газо-жидкостной, так и газо-адсорбционной хроматографии. Схема установки для

Рис. 36. Установка для вытягивания стеклянных капилляров большой длины

7 - основание; 2 - направляющая трубка; 3 - стеклянная заготовка; 4 и 5 - подающие ролики с резиновой обкладкой; 6 - нагреватель; 7 и 8 - тянущие ролики; 9 - фарфоровая направляющая трубка; 70 - изгибающая трубка; /7 - контакты тока низкого напряжения для нагрева изгибающей трубки; 12 - готовый капилляр

вытягивания стеклянных капилляров большой длины, впервые описанной Дести с сотр. [30], представлена на рис. 36.

Почти одновременно аналогичную установку представил Крейенбуль [31]. Позже различные модификации этой системы были сделаны рядом авторов [32-38], а некоторые модели производились серийно несколькими зарубежными фирмами, в том числе “Шимадзу" (Япония), “Хуйе аппаратебау” (ФРГ) и др. В СССР подобные установки разработаны в специальном конструкторском бюро Института нефтехимического синтеза [39] и специальном конструкторском бюро Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН [40]. Во всех описанных системах капилляр вытягивают из стеклянной трубки-заготовки длиной 1-2 м и диаметром 5-15 мм при толщине стенок 2-3 мм. Длина получаемого капилляра ограничивается размером исходной заготовки. Из трубки длиной 1-1,5 м можно получить капилляр диаметром 0,2-1,0 мм и длиной 50-100 м. Дести и сотр. [30] сообщали о получении капиллярных трубок длиной до 300 м. Диаметр исходной заготовки и размеры получаемого капилляра связаны приближенным эмпирическим соотношением

(4-1) \ Ю2

где d^ и d2 - диаметры заготовки и получаемого капилляра соответственно, а и (в, и со2 - скорости вращения (об/мин) подающих и тянущих роликов (соответственно 4, 5, 7 и 8 на рис. 35). Для работы удобно, чтобы отношение наружного и внутреннего диа-

метров капилляра составляло 3-4, так что при внутреннем диаметре 0,2-0,3 мм наружный диаметр будет примерно 1 мм. Такие капилляры выгодно отличаются от более толстостенных несколько большей гибкостью. С другой стороны, вытягивание более толстостенных капиллярных трубок осуществляется несколько легче.

Изгибающий узел 10 (см. рис. 35) является одним из элементов установки, требующим наиболее тонкой регулировки. Температура изгибающей трубки должна соответствовать началу размягчения применяемого стекла. Даже незначительный перегрев влечет за собой прилипание стекла и порчу трубки, а недостаточная температура приводит к поломке капилляра. В оригинальном варианте установки [30] и более поздних описаниях [33] изгибающий узел выполнялся из тонкостенной нержавеющей трубки, обогреваемой током от низковольтного трансформатора. Изгибающую трубку можно изготовить из кварца с внешней нагревательной обмоткой, питаемой напряжением в несколько десятков вольт. Для уменьшения трения в изгибающей трубке используют в качестве смазки порошкообразный или чешуйчатый графит, часто с добавкой сульфида молибдена.

Для соблюдения постоянного режима вытяжки капилляра необходимо строгое постоянство температур в нагревательной печи и в изгибающей трубке и скоростей вращения подающих и тянущих роликов. Ток, питающий нагреватели, должен быть тщательно стабилизирован, а для вращения роликов лучше применять синхронные моторы с постоянным числом оборотов и жесткой характеристикой. Если изгибающий узел нагревается пропусканием тока непосредственно через материал трубки, то частым источником осложнений являются контакты, соединяющие трубку с низковольтным трансформатором. При силе тока 15-20 А и напряжении питания 1-2 В и менее даже крайне незначительные изменения сопротивления контактов вследствие окисления приводят к заметным нарушениям теплового режима и к поломке изготавливаемого капилляра. Поэтому изгибающие узлы с трубкой диаметром 6-8 мм, снабженной внешней обмоткой, легче регулируются и более надежны в работе.

При вытягивании очень тонких капилляров диаметром менее 100 мкм можно вообще отказаться от изгибающего устройства, так как такие тонкие капилляры обладают достаточной гибкостью и могут наматываться на катушки или каркасы без разрушения, особенно в том случае, если их внешняя поверхность сразу после вытяжки покрывается термостойким лаком [35, 37].

Показано, что при уменьшении диаметра капиллярной колонки от 0,2-0,3 мм до 50 мкм и менее можно достичь весьма зна-

чительного увеличения скорости хроматографического анализа [41,42].

Весьма важным рабочим параметром установки для вытягивания капилляров является температура основной нагревательной печи, размягчающей заготовку. Эта температура зависит от скорости вытягивания капилляров и должна поддерживаться строго постоянной. По данным работы [30], при вытягивании капиллярных трубок из стекла Пирекс или из сходного материала с высоким содержанием кремнезема обычно достаточно, чтобы температура печи превышала температуру начала размягчения стекла примерно на 100°С, т.е. была бы около 800°С. При работе с более легкоплавкими стеклами температура печи должна несколько меньше отличаться от температуры их размягчения. При соблюдении этих условий и их строгом постоянстве размеры капилляров с внутренним диаметром 0,1 мм и более получаются постоянными, с точностью 1-5% отн. Более тонкие капиллярные трубки имеют более значительные вариации диаметра, достигающие 10-15% отн.

Важными факторами, определяющими качество будущего капилляра и приготовленной из него колонки, являются состояние и геометрические характеристики исходной стеклянной заготовки. Стеклянная трубка, подготовленная для вытягивания капилляров, не должна иметь каких-либо дефектов стекла. Ее размеры - наружный диаметр и толщина стенки - должны быть строго постоянны по всей длине. Недопустима овальность сечения или неравномерность толщины стенки трубки. Отобранные трубки тщательно освобождают от пыли, моют щелочным раствором перманганата, тщательно ополаскивают дистиллированной водой и сушат в сушильном шкафу в течение нескольких часов в вертикальном положении. Подготовленные к работе заготовки должны сохраняться в сухом помещении с закрытыми ватными тампонами концами. Тампоны удаляют непосредственно перед употреблением данной заготовки.

Несколько измененное устройство, описанное Дести и др. [30], позволяет вытягивать капиллярные трубки из кварца [32]. однако это значительно более трудный процесс. Будучи, в отличие от стекла, по своему составу очень чистым индивидуальным веществом, кварц имеет очень узкую зону температур размягчения. Это означает, что переход от твердого состояния к жидкому у кварца происходит в очень узком температурном интервале [41]. Поэтому капиллярные трубки из кварцевого стекла, имеющие достаточно большую длину, можно получить лишь при очень высоких скоростях вытяжки, достигающих десятков метров в секунду. Сразу после вытяжки кварцевый капилляр проходит через сосуд с жидким полиимидным лаком. Покрывая внеш-

нюю поверхность кварцевого капилляра, лаковое покрытие предохраняет ее от воздействия атмосферной влаги и тем предотвращает возникновение поверхностных дефектов, являющихся центрами разрушения при изгибающих нагрузках. Это придает кварцевым капиллярам очень высокую прочность при изгибе: кварцевый капилляр диаметром 0,3-0,4 мм можно без разрушения наматывать на палец руки. Поэтому такие капилляры можно без всяких затруднений сворачивать в спиральные бухты диаметром 15-20 см, удобные для размещения в термостатах существующих хроматографов.

Чистота кварца, из которого вытягивают капилляры для хроматографии, должна быть очень высокой - обычно общее содержание примесей в этом материале не превышает 0,01 %. При большем содержании примесей быстро снижается прочность получаемых капилляров и ухудшается качество приготовленных из них капиллярных колонок. При изготовлении тонких кварцевых капилляров используется техника, разработанная для производства кварцевых и стеклянных световодов для волоконной оптики. Поэтому, в отличие от стеклянных капилляров кварцевые капилляры обычно не изготавливают в аналитических лабораториях, а приобретают готовыми у соответствующих производителей.

Впервые о применении кварцевых капиллярных колонок сообщили Дандено и Зереннер в 1979 г. [44]. В последующей работе [45] было показано, что кварцевые капиллярные колонки хорошего качества могут быть приготовлены из плавленого высокочистого диоксида кремния, получаемого сжиганием SiH4 или SiCl4 в чистом кислороде. Внутреннюю поверхность гибких капилляров из кварцевого стекла, полученного плавлением высокочистого диоксида кремния, дезактивировали полиэтиленгликолем Карбовакс 20М. Далее для приготовления капиллярной колонки наносили на внутренние стенки капилляра полисилоксановую неподвижную фазу SP-2100. Полученные колонки обладали высокой эффективностью и были пригодны для разделения углеводородов, спиртов, фенолов, алифатических и ароматических аминов.

Технику приготовления капиллярных колонок из плавленого кварца описали также Липски, МакМюррей и сотр. [46, 47]. В этих работах было изучено влияние способов обработки внутренней поверхности таких капилляров на эффективность разделения спиртов, стероидов и эфирных масел. В качестве неподвижных фаз в этих работах использовали полидиметилсилоксан OV-101 или полиэтиленгликоль Карбовакс 20М. Приготовленные капиллярные колонки с полидиметилсилоксаном устойчиво работали при температурах до 250°С. Авторы этих работ подчеркивают то обстоятельство, что капилляры из плавленого чи-

стого диоксида кремния позволяют получить колонки более высокого качества, чем капилляры из плавленого природного кварца [46].

Эти сообщения подтверждены в более поздней работе Сайто [48], в которой было показано, что капилляры из плавленого диоксида кремния высшей степени чистоты (99,9999%), содержащего менее 0,0001% примесей, позволяют приготовить высокоэффективные колонки без какой-либо дезактивации поверхности силилированием или обработкой полиэтиленгликолем. Так, капиллярная колонка, приготовленная путем нанесения полисилоксановой неподвижной фазы OV-101 динамическим способом из 10%-ного раствора в хлористом метилене или гексане с последующим кондиционированием при 280-350°С в течение 10- 40 часов имела эффективность сразу после изготовления около 3300 т.т./м, а после 550 часов работы при 280°С - 2500 т.т./м.

Капиллярные колонки из кварцевого стекла флексил, применяемого при изготовлении световодов, сравнивали с колонками из кальциевого, натриевого и боросиликатного стекол. Было показано, что колонки из кварцевого стекла вполне пригодны для разделения смесей пестицидов, стероидов и летучих производных аминокислот, то есть представителей групп соединений, наиболее трудных для газовой хроматографии [49]. Аналогичные характеристики капиллярных колонок из плавленого диоксида кремния указаны также и в работе [50].

Быстрое развитие техники капиллярной хроматографии на колонках из плавленого диоксида кремния иллюстрируется тем фактом, что уже через год после появления первых публикаций об их использовании был опубликован обзор [51], обобщающий данные 34-х литературных источников. Автор этого обзора подчеркивает заметные различия колонок, изготовленных из плавленого кварца и из плавленого высокочистого диоксида кремния при хроматографии фенолов, пестицидов, наркотических средств и других веществ. Тем не менее далее в этой книге, за исключением особо оговоренных случаев, для обозначения колонок из того и другого материала будет употребляться термин “кварцевые колонки”.

Технология приготовления высокоэффективных капиллярных колонок в настоящее время значительно усовершенствована [52]. Описана техника получения кварцевых колонок со стенками, покрытыми не только пленками неподвижных фаз (иммобилизованными полисилоксанами и полиэтиленгликолями), но и тонкими равномерным слоями мелкозернистых твердых носителей, минеральных адсорбентов и пористых полимерных материалов [52-54].

Отказ от использования готовой цилиндрической заготовки мог бы заметно облегчить процесс вытягивания капилляров любой длины. В этом случае расплавленная стекломасса из ванны или тигля подавалась бы через концентрический мундштук непосредственно к тянущим роликам. По имеющимся данным, такая установка, которая могла бы дать возможность получения капилляров любой длины, пока еще не создана.

МОДИФИКАЦИЯ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИСТЕКЛЯННЫХ И КВАРЦЕВЫХ КАПИЛЛЯРОВ

Как было упомянуто выше, чистая поверхность стекла, образующаяся после вытягивания стеклянных капилляров, смачивается органическими жидкостями недостаточно. В ряде случаев уже готовая колонка после некоторого времени эксплуатации может неожиданно резко ухудшить свою разделяющую способность, что, наиболее вероятно, происходит вследствие разрушения равномерной пленки жидкой фазы. Хотя в работе [1] указано на возможность нанесения жидкой фазы - сквалана - на необработанную поверхность стекла, по данным Халаша [55], стеклянные капиллярные колонки, приготовленные без какой-либо обработки внутренней поверхности, теряют свою эффективность полностью уже через пять-семь дней эксплуатации. Этот факт подтверждается и собственным опытом работы автора.

Все эти обстоятельства обусловливают необходимость той или иной предварительной обработки внутренней поверхности стеклянных капиллярных трубок до нанесения на их стенки жидкой стационарной фазы. Целью такой обработки может являться либо простое увеличение шероховатости стекла, которая, как отмечено выше, способствует более равномерному распределению жидкой фазы, либо создание некоторого промежуточного мономолекулярно го или полимолекул яркого слоя, прочно соединенного с поверхностью стекла и в то же время способного энергично взаимодействовать с наносимой жидкостью. Иногда в результате обработки поверхности стеклянного капилляра внутри него образуется пористый слой, который может быть использован либо для проведения газо-адсорбционных разделений, либо для нанесения жидкой фазы. Технология образования таких слоев внутри стеклянных капиллярных трубок будет изложена в следующем разделе.

Влияние выщелачивания поверхности стеклянных капилляров на качество пленок неподвижных фаз изучали авторы работ [56,

57]. В последней работе были использованы методы Оже-спектроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Обстоятельное исследование необработанных и модифицированных разными способами стеклянных капилляров проведено Шомбургом с сотр. [58]. Эти авторы изучали адсорбционные свойства капилляров, подвергнутых травлению и выщелачиванию разными агентами, силанизации и термической обработке. Заметное улучшение эффективности стеклянных капиллярных колонок с полиэтиленгликолем 40М при разделении аминов, спиртов, тиолов и кетонов было достигнуто при обработке капилляров KF и Na3PO4 [59]. Коррозия поверхности стекла может протекать под действием разнообразных химических агентов, как кислых, так и щелочных [60]. Например, Вейер [61] подвергал стенки капилляров из молибденового стекла действию водяного пара. Лейбниц и Монке [62], а также Брунер и Картони [25] обрабатывали капиллярные трубки щелочами. Киселев [63] сообщал о достаточно интенсивной коррозии поверхности боросиликатного стекла под действием соляной кислоты. Практически во всех описанных случаях такого травления стекла внутри капилляра образуется слой гидратированного кремнезема толщиной не менее нескольких микрометров. Поверхность такого слоя весьма активна и для успешного использования в условиях газо-жидкостной хроматографии требует дополнительной дезактивации. По мнению ряда авторитетных специалистов, любая “мокрая” обработка стекла, в которой для травления его поверхности применяются водные растворы, неизбежно приводит к образованию сорбционных слоев, обладающих весьма высокой активностью [64], независимо от их толщины.

Более успешными оказались опыты но обработке стекла газообразными корродирующими агентами. Были испытаны газообразные фтористый водород и хлористый водород, однако более удачные результаты были получены с применением парообразного корродирующего агента - метилтрифторхлорэтилового эфира CH3OCF2CHFC1 [21, 65, 66]. Корродирующую активность последнего объясняют возможным отщеплением фтористого водорода, способного реагировать с входящими в состав стекла окислами металлов (натрия, калия, кальция, магния и др.), а также и с диоксидом кремния.

Обработка внутренней поверхности капилляров газообразными или парообразными корродирующими агентами проводится следующим образом. Пропуская некоторое время корродирующий агент через капилляр, заполняют его внутреннюю полость. Концы капилляра запаивают, и весь капилляр выдерживают некоторое время при повышенной температуре. По охлаждении капилляр продувают сухим азотом. На подготовленную та-

ким образом поверхность можно наносить весьма разнообразные жидкие фазы, причем легко достигается высокая эффективность получающихся колонок. Высокая воспроизводимость метода позволяет наносить жидкую фазу динамическим способом с довольно значительной скоростью.

В зависимости от характера обработки стеклянных и кварцевых капилляров возможно формировать на их поверхности адсорбционные центры кислотного или основного характера. Например, предложенная ранее обработка хлороводородной кислотой с последующей продувкой азотом, содержащим фтористый водород [68], ведет к образованию адсорбционных центров кислого характера, далее активно взаимодействующих с силанизирующими агентами, Липски и МакМюррей [69] детально изучили роль активных адсорбционных центров и их влияние на качество кварцевых капиллярных колонок. Эти авторы испытывали неподвижные фазы углеводородного характера (Апиезон L, сквалан и углеводород С87Н|76), а также цианопропильные полисилоксаны.

При определенных условиях более глубокое травление с помощью метилтрифторхлорэтилового эфира может приводить к более сильным изменениям структуры поверхности, приближая приготовленный капилляр к типу колонок с покрытыми носителем стенками, что подробнее обсуждается в следующем разделе.

Поверхность стеклянных капилляров, как свежеприготовленных, так и обработанных теми или иными корродирующими агентами, может быть подвергнута химическому модифицированию с целью снижения адсорбционной и каталитической активности. Один из способов такой обработки, предложенный Киселевым с сотр. [70-73], заключался в обработке стеклянных капилляров силанизирующими агентами типа триметил хлорсила- на. В этом случае модификация поверхности проводилась одновременно с изготовлением капилляра. Стеклянную заготовку заполняли парами триметилхлорсилана, герметизировали и вытягивали ее в капилляр длиной 15-20 м. Температура печи составляла при этом 700 °C. Таким способом были получены стабильные капиллярные колонки с силиконовым маслом в качестве жидкой фазы, обладавшие эффективностью до 500-700 т.т./м. Отмечено, что при проведении силанизации стеклянных и кварцевых капиллярных колонок весьма существенно обеспечить возможно более полное удаление следов воды с их поверхности [74-76].

Силанизация протравленной поверхности стеклянных капилляров газообразными силанизирующими агентами типа смеси паров гексаметилдисилазана и триметилхлорсилана,

изученная Новотным и Тесаржиком [65], приводит к заметному увеличению эффективности колонок с полисилоксанами и к снижению качества колонок с более полярными жидкими фазами. Так, эффективность колонки с SE-30, составляющая для необработанного капилляра 1300 теоретических тарелок на 1 м, увеличивалась для силанизированного капилляра до 3000 т.т./м. В случае таких жидких фаз, как дибутилфталат, Ucon-500XB и триэтаноламин, напротив, силанизация вызывала уменьшение эффективности в 1,5—4 раза. Показано, что прочность связи алкилсилильных групп с поверхностью стекла изменяется в следующем ряду [77]:

CH3SiCl3 > (CH3)2SiCl2 > (CH3)3SiCl > (CH3)3SiOC2H5.

Гроб [5] и Новотный и Бартле [78] изучали действие различных силанизирующих агентов и показали, что в большинстве случаев силанизация поверхности приводит к понижению ее способности к смачиванию. Не были успешными при этом и опыты с применением аллилтрихлорсилана и фенилтрихлорсилана. Однако, если после обработки поверхности стекла аллилтрихлорси- ланом пропускать через колонку сухой кислород при повышенной температуре, то после окисления аллильных групп стекло приобретает способность хорошо смачиваться достаточно полярными жидкими фазами. В результате были получены довольно эффективные капиллярные колонки.

Действие силанизирующих агентов по существу, сводится к образованию связей Si-O-Si в местах присоединения силанизирующих агентов к силанольным группам. Нежелательные центры адсорбционной активности исчезают при образовании связей Si-O-C или Si-C. Так, описан и подробно изучен процесс модификации поверхности силикатов действием спиртов [79-82]. Возникающая при этом щеткообразная ориентация алкильных групп успешно используется при получении так называемых “щеточных” сорбентов, весьма важных для жидкостной хроматографии. Процесс присоединения алкоксильных групп облегчается предварительным хлорированием поверхности силикатов действием хлористого тионила [83].

=Si-OH + SOC12 =Si-Cl + SO2 + HCI,=Si-Cl + R-OH -» sSi-O-R + HCI.

Использование такого принципа в капиллярной хроматографии показало, что после обработки поверхности капилляров бензиловым, трихлорэтиловым и трифторэтиловым спиртами можно приготовить очень эффективные колонки, что свидетельствует о высокой степени равномерности наносимой пленки жидкости

. Однако полученные капиллярные колонки оказались термически нестабильными и малоустойчивыми к действию влаги, видимо вследствие гидролиза эфирных связей.

Более устойчивые системы могут быть получены, если модифицирующие алкильные группы будут присоединены непосредственно к атомам кремния. Это можно осуществить взаимодействием хлорированной поверхности стекла и металлоорганических производных, например литийорганических соединений или реагентов Гриньяра [84]. Реакция идет по схеме;

=Si-Cl + Li-R -> Si-R + LiCl,

-Si-Ci + CIMg-R -> =Si-R + MgCl2.

Такой способ модификации был испытан на примере обработки стеклянных капилляров фениллитием и бутиллитием [18]. При этом были получены хорошие результаты, однако выбор доступных металлоорганических соединений в настоящее время ограничен.

Дезактивацию внутренней поверхности стеклянных капилляров путем исчерпывающего силилирования изучали в работах [85-87]. В работах [85] и [86] были подробно рассмотрены параметры этого процесса и сопоставлены результаты силилирования с применением различных силилирующих агентов, в том числе гексаметил ди силазана, дифенилтетраметилдисилазана, тетра- фенилдиметилдисилазана и трифенилсилиламина. Было показано, что улучшение смачиваемости стеклянной поверхности полисилоксановыми неподвижными фазами (OV-1, SE-3O, SE-54, OV-73 и др.) достигается при связывании с поверхностью стекла фрагментов, содержащих фенильные группы.

В работе [87] было показано, что инертные и термостойкие стеклянные капиллярные колонки с полисилоксановыми неподвижными фазами могут быть получены путем высокотемпературного силилирования. Кроме того, стеклянные колонки с внутренним диаметром 50 мкм, обладающие высокой эффективностью и хорошей инертностью готовили путем травления 15%-ной хлороводородной кислотой в течение 16 часов при 150°С [88]. После процедуры травления колонки промывали 1М хлороводородной кислотой, затем дистиллированной водой и метанолом. Далее поверхность капилляров дегидратировали путем нагревания в течение 1 часа при 180°С в токе азота, заполняли колонки жидкой смесью пентана с гексаметилдисилазаном и дифенилтетраметилдисил азаном (2 : I : 1) и нагревали 6 часов при 400°С. После этого капилляры промывали пентаном и метанолом, высушивали в токе сухого азота и наносили неподвижную фазу статическим способом. Третлер и Прево [89] сообщают о получении

стеклянных капиллярных колонок хорошего качества путем травления капилляров аммиаком при повышенной температуре с последующим исчерпывающим силилированием.

Дезактивация поверхности капилляров путем обработки алкилполисилоксанами применима и к стеклянным, и к кварцевым колонкам. С использованием в качестве неподвижных фаз полиэтиленгликоля Карбовакс 20М и полисилоксанов OV-1 и OV-101, в работе [90] были получены высокоэффективные колонки, обеспечивающие хорошее разделение таких высокополярных веществ как свободные алифатические кислоты, диолы, фенолы, алифатические и ароматические амины, Для кварцевых капилляров рекомендуется следующая последовательность операций. Капилляры в течение 30 мин промывают водой с 2% HF и 2% HNO3. Затем через колонку в течение небольшого времени пропускают 2%-ный раствор хлороводородной кислоты и для дегидратации поверхности колонку нагревают 3 часа при 280 °C в токе азота. Затем колонку заполняют раствором полисилоксана OV-1 в пентане (0,6%), заплавляют ее концы, нагревают до 420 °C со скоростью 12 град/мин и выдерживают 1 час при этой температуре. После охлаждения открывают концы, промывают колонку пентаном и наносят желаемую неподвижную фазу статическим методом.

Различные возможности высокотемпературного силилирова- ния рассмотрены в обзоре [91], охватывающем более 100 литературных источников. В этом обзоре сделан вывод о том, что одним из наиболее хорошо воспроизводимых способов силанизации кварцевых и стеклянных капиллярных колонок является обработка их октаметилциклотетрасилоксаном (агент D4) при 400°С

Процесс дезактивации стеклянных капиллярных колонок для разделения спиртов рассмотрен и в работе [92], а в работе [93] описана техника дезактивации стеклянных колонок смесями три- метилхлорсилана с гексаметилдисилазаном или с Н,О-бис-(три- метилсилил)-трифторацетамидом. Отмечено, что второй способ позволяет получать более воспроизводимые результаты. Описан также способ предварительной обработки стенок стеклянных капилляров циклическими метил-3,3,3-трифторпропилсил оксанами [94]. При этом были получены высокоэффективные стеклянные капиллярные колонки, позволявшие успешно разделять при температурах до 275°С смеси углеводородов, спиртов, альдегидов, фенолов, аминов и сложных эфиров,

В качестве силилирующего агента предложено также применять Силанокс - водоотталкивающее средство на силиконовой основе [95, 96]. Указано, что такой дезактивирующий агент позволяет приготовить высокоэффективные колонки с полярными

неподвижными фазами, пригодные для разделения летучих производных аминокислот.

Мадани, Шамбаз и сотр. [97,98] описали процесс приготовления высокоэффективных капиллярных колонок с предварительным покрытием их внутренней поверхности олигомерами различных хлорсиланов. Капиллярные колонки, приготовленные этими авторами, были с успехом применены для анализа смесей стероидных гормонов.

Значительный материал по дезактивации поверхности стеклянных капиллярных колонок действием разнообразных силили- рующих агентов обобщен в статьях [99, 100]. Позже Боддинг и Вассинк описали процесс дезактивации поверхности стеклянных капилляров путем динамического парофазного силилирования [101]. Силилирующим агентом в этой работе служила смесь N-триметилсилиламина, М,О-бис-(триметилсилил)-ацетамида и гексаметилдисилазана.

Шомбург и corp. [102] предложили дезактивировать внутреннюю поверхность капиллярных колонок летучими продуктами деградации полисилоксановых неподвижных фаз.

Кроме рассмотренных выше силильных дезактивирующих агентов, для увеличения инертности стеклянных и кварцевых капилляров использовали полиэтиленгликоли с молекулярной массой от 2-3 тыс. до 20-40 тыс. а.е.м. и выше. В публикациях [103-107] рассмотрено применение тонких пленок полиэтиленгликоля 20М для дезактивации стеклянных капилляров, а в работе [108] предложено дезактивировать колонки газообразными продуктами испарения (или термической деградации!) полиэтиленгликоля 20М. Полученные таким образом капиллярные колонки с успехом применялись для анализа смесей полициклических ароматических углеводородов и пестицидов при контроле загрязнений окружающей среды.

Описан процесс дезактивации поверхности кварцевых капилляров путем этерификации поверхностных кислотных групп спиртами [109] с последующим нанесением специально синтезированных полисилоксановых неподвижных фаз с высокой молекулярной массой [110].

Аррендейл и сотр. [111] применяли для дезактивации поверхности капилляров очень высокомолекулярный аналог полиэтиленгликоля с коммерческим названием Суперокс ТМ. Этот препарат, с одной стороны, обеспечивал возможность успешного нанесения полярных неподвижных фаз, а, с другой стороны, мог и сам быть использован в качестве такой неподвижной фазы [112].

В качестве дезактивирующих агентов для приготовления стеклянных и кварцевых капиллярных колонок было также предло-

жено применять полидентатные фосфониевые соли [113]. При этом показано, что фосфониевые соли позволяют увеличить верхнюю рабочую температуру стеклянных капиллярных колонок и улучшают их эффективность.

Описан процесс модификации поверхности стеклянных капилляров, изготовленных из мягкого натриевого стекла, путем обработки их водяным паром. Наилучшие результаты были получены, когда после обработки водяным паром через капилляр пропускали фторуглеродный препарат Флуарад FC-431 [114].

При изготовлении стеклянных капиллярных колонок для анализа серосодержащих соединений (сероводорода, сероокиси углерода, метантиола, сероуглерода, диметил сульфида и диме- тилдисульфида) проверяли эффективность 25-ти различных дезактивирующих агентов [115]. Лучшие результаты были получены при обработке стеклянных капилляров концентрированной азотной кислотой.

Изготовление металлических и стеклянных капиллярных колонок облегчается при введении в неподвижную фазу добавок поверхностно-активных веществ или иных агентов, способных образовать ориентированные мономолекулярные слои. Обычно такие соединения имеют достаточно длинную алифатическую цепь (больше семи атомов углерода) и полярную функциональную группу, способную активно взаимодействовать с полярными группами поверхности или несущими электрический заряд центрами на ней [56, 57]. В качестве таких добавок при нанесении неполярных жидких фаз типа Апиезона применяли нонилфенокси- полиэтоксиэтанол и триоктадецилметиламмоний бромид [116, 117]. Гроб [18] предложил использовать в качестве таких добавок а,со-бифункциональные соединения, несущие на одном конце ка- тионоидную группу, способную взаимодействовать с группами sSiO. На другом конце цепи должна находиться группа, способная к энергичному взаимодействию с жидкой фазой. Такой метод не представляется перспективным, так как можно ожидать, что ориентировка молекул в таких слоях будет легко нарушаться под влиянием других веществ, способных к активной адсорбции на поверхности стекла. По той же причине трудно ожидать также сколько-нибудь значительной термостойкости таких колонок.

Как и в случае капилляров из металлов и пластиков, неблагоприятные свойства стекла, затрудняющие нанесение жидкой пленки, могут быть преодолены предварительным покрытием внутренней поверхности стеклянных капиллярных трубок промежуточным слоем какого-либо материала, способного хорошо смачиваться применяемыми жидкими фазами. Такие слои, превышающие по толщине мономоле кулярный слой, должны хорошо удер-

живаться стеклом и в то же время хорошо смачиваться наносимой жидкой фазой, как, например в работе [ 120]. В случае необходимости для улучшения способности к смачиванию эти слои могут подвергаться дополнительной физической или химической обработке. Следует отметить, что колонки со сформированным на их внутренней поверхности пористым слоем или со стенками, покрытыми носителем, к такому типу капиллярных колонок не относятся.

Промежуточный слой может быть выполнен из уже готового материала или осажден на стенках трубки в результате какого-либо химического процесса. Типичным примером являются слои из полибутадиена и политетрафторэтилена, полученные полимеризацией соответствующих мономеров в опытах Гроба [18]. Вначале на необработанную поверхность стеклянных капилляров наносили динамическим способом инициатор полимеризации. Затем через колонку в токе азота продували газообразный мономер. Полимеризация происходила в течение нескольких часов, причем толщина полимерного слоя определялась длительностью и температурой процесса. После нанесения жидкой фазы динамическим способом были получены высокоэффективные колонки с исключительно низкой способностью к вторичным адсорбционным взаимодействиям, что позволяло добиться полной симметрии пиков даже весьма высококипящих веществ (рис. 37). Промежуточный слой из политетрафторэтилена остается достаточно стабильным, до 200°С и выше. Полибутадиеновый слой разрушается при более низкой температуре, что влечет за собой потерю разделяющей способности колонки. Заслуживает внимания принципиальная возможность формирования таким путем слоя полимерной неподвижной фазы непосредственно на поверхности капиллярной трубки.

Опыты по нанесению полимерных неподвижных фаз (полисилоксанов и полиакрилонитрила) на твердые носители путем полимеризации газообразных мономеров на их поверхности уже были описаны ранее [121-124], однако распространить этот способ на капиллярные колонки не удалось.

Одним из важных способов формирования промежуточных слоев является карбонизация - покрытие стенок капилляров слоем угля. Уголь, осаждающийся на поверхности стекла при различных пиролитических процессах, легко смачивается многими органическими жидкостями и прочно удерживается на поверхности стекла. Измерения углов смачивания ряда органических жидкостей [125] позволили высказать предположение, что главной причиной, облегчающей нанесение равномерной пленки жидкой фазы на покрытую углем поверхность стекла, является повышенная шероховатость. Однако возможно, что в этом случае

Рис. 37. Хроматограммы смесей тридекана (/) и тетрадекана (2). Стеклянные капиллярные колонки длиной 15 м и диаметром 0,27 мм со стенками, покрытыми промежуточным слоем политрифторхлорэтилена, жидкая фаза Апиезон К; температура колонки 115°С, давление газа-носителя (водорода) 0,2 атма - полимеризация трифторхлорэтнлена в течение I дня при 160°С, ЭЧП = 19; б - полимеризация в течение 2 дней при 200°С, ЭЧП = 28,5Рис. 37. Хроматограммы смесей тридекана (/) и тетрадекана (2). Стеклянные капиллярные колонки длиной 15 м и диаметром 0,27 мм со стенками, покрытыми промежуточным слоем политрифторхлорэтилена, жидкая фаза Апиезон К; температура колонки 115°С, давление газа-носителя (водорода) 0,2 атма - полимеризация трифторхлорэтнлена в течение I дня при 160°С, ЭЧП = 19; б - полимеризация в течение 2 дней при 200°С, ЭЧП = 28,5

Рис. 37. Хроматограммы смесей тридекана (/) и тетрадекана (2). Стеклянные капиллярные колонки длиной 15 м и диаметром 0,27 мм со стенками, покрытыми промежуточным слоем политрифторхлорэтилена, жидкая фаза Апиезон К; температура колонки 115°С, давление газа-носителя (водорода) 0,2 атм

а - полимеризация трифторхлорэтнлена в течение I дня при 160°С, ЭЧП = 19; б - полимеризация в течение 2 дней при 200°С, ЭЧП = 28,5

Рис. 37. Хроматограммы смесей тридекана (/) и тетрадекана (2). Стеклянные капиллярные колонки длиной 15 м и диаметром 0,27 мм со стенками, покрытыми промежуточным слоем политрифторхлорэтилена, жидкая фаза Апиезон К; температура колонки 115°С, давление газа-носителя (водорода) 0,2 атм

а - полимеризация трифторхлорэтнлена в течение I дня при 160°С, ЭЧП = 19; б - полимеризация в течение 2 дней при 200°С, ЭЧП = 28,5

жидкая фаза в основном находится в контакте с углем [18], так что колонка по своей структуре приближается к колонкам с покрытыми твердым носителем стенками.

Процедуру нанесения углеродных слоев на поверхность стеклянных капилляров разработал Гроб [18, 126], выяснивший, что наилучшие результаты получаются при медленном и равномерном нагревании запаянных стеклянных капилляров, заполненных парами хлористого или бромистого метилена. Описаны также варианты процесса карбонизации, в которых через внутреннюю трубку стеклянной заготовки в процессе вытягивания капилляра подавали слабый ток азота, содержащего пары хлористого или бромистого метилена. Толщина покрытия в этом случае зависела от концентрации паров органических веществ и скорости азота [125].

Нанесение угля на стенки капилляра осуществляется довольно трудно, так как качество получающегося слоя во многом определяется равномерностью нагрева капилляра и отсутствием

температурных градиентов в используемых для этой цели печах. Метод образования угольного слоя одновременно с вытягиванием капилляра менее чувствителен к малым изменениям экспериментальных условий, однако в обоих случаях приготовленные слои до нанесения жидкой фазы необходимо тщательно оберегать от влаги. Хотя нанесение промежуточных угольных слоев и позволяет в ряде случаев получать высокоэффективные колонки с довольно большим числом жидких фаз, все же этот метод далеко не решает проблемы надежного и воспроизводимого приготовления стеклянных капиллярных колонок.

Кроме углеродных покрытий, предложено дезактивировать внутреннюю поверхность стеклянных и кварцевых капилляров пленками из элементного кремния [127]. Для этой цели капилляр заполняли силаном SiH4, запаивали концы и нагревали в течение нескольких часов при температуре 200-250°С. В качестве неподвижных фаз использовали полидиметилсилоксан SE-ЗО и полиэфир FFAP. Были получены высокоэффективные колонки, с успехом использованные для разделения смесей, содержащих легкие углеводороды, спирты, уксусную кислоту, пиридин, 2-окта- нон, октанол-1, нафталин, 2,6-диметиланилин, 2,6-диметилфенол и другие соединения.

Среди способов дезактивации поверхности стеклянных и кварцевых капилляров следует отметить предложенную в работе [128] обработку капилляров раствором КНР2, а также введение добавок различных солей в неподвижную фазу в процессе ее нанесения [129].

Описан также способ дезактивации стеклянных капиллярных колонок посредством высокотемпературной обработки смесью диоксида серы и кислорода [130]. Авторы отмечают, что наилуч- пше капиллярные колонки получались, когда после обработки SO2 их дополнительно дезактивировали полиэтиленгликолем и покрывали полисилоксановой неподвижной фазой SP-2100.

Для оценки качества полученных после дезактивации поверхности стеклянных и кварцевых капилляров предложено применять флуоресцирующий в УФ-свете пиррометановый краситель (PMBF 2) [131]. При пропускании раствора этого красителя через дезактивированный капилляр его молекулы адсорбируются на активных сорбционных центрах, которые при этом становятся ясно видимыми в УФ-свете. В работе [131] показано, что поверхность стекла, обработанная содержащим цианопропильные группы высокополярным полисилоксаном OV-225, менее инертна, чем поверхность, обработанная диметилдихлорсиланом. Важность предварительной дезактивации поверхности при изготовлении стеклянных и кварцевых капиллярных колонок отмечена

также и в работах [132-134], где указано, что предварительное дезактивирование существенно улучшает хроматографические характеристики колонок, увеличивает продолжительность их работы и повышает их термическую устойчивость. Это особенно важно при анализе смесей термически малоустойчивых соединений, например, таких, как труднолетучие полициклические ароматические углеводороды или термолабильные гербициды из группы фенил карбаматов.

ТЕХНИКА НАНЕСЕНИЯ НЕПОДВИЖНЫХ ФАЗНА СТЕКЛЯННЫЕ И КВАРЦЕВЫЕКАПИЛЛЯРНЫЕ КОЛОНКИ

Для нанесения неподвижных фаз на стенки стеклянных капилляров сначала использовали динамический метод со всеми присущими ему недостатками. Приемы нанесения неподвижных фаз на стенки стеклянных капиллярных трубок в большинстве своем не отличаются от описанных в гл. 4. Важным нововведением, облегчающим получение высокоэффективных колонок, является применение ртути для формирования равномерной пленки раствора неподвижной фазы [135-137]. Каплю ртути, образующую в капилляре столбик длиной примерно 10 см, вводят в колонку сразу после раствора неподвижной фазы и прогоняют через нее давлением инертного газа. Таким путем удается получать столь же эффективные колонки как и при использовании более длительного статического метода.

Александер и Липски подробно изучили ряд факторов, влияющих на толщину пленки неподвижной фазы в стеклянных капиллярных колонках, приготовленных с применением приема ртутного поршня [138]. Способ определения средней толщины пленки неподвижной фазы, нанесенной динамическим методом на поверхность стеклянных капиллярных колонок, описан в работе Бломберга [139].

Использование статического способа в его первоначальной форме [140] в случае стеклянных капилляров невозможно вследствие того, что нельзя изменять спиральную форму, приданную капилляру при его изготовлении. Первым вариантом этого способа. применимым в случае стеклянных капилляров, явилось предложение Буше и Верцеле [141]. Заполнив стеклянный капилляр раствором жидкой фазы, закрывают один из его концов, а второй соединяют с вакуум-насосом и удаляют растворитель испарением

в вакууме. Этот способ оказался весьма длительным, и удаление растворителя таким путем занимало несколько дней. Тем не менее, были получены капиллярные колонки с высокой эффективностью до 60-70 тыс. т.т. Длительность этого метода в известной мере компенсировалась возможностью подвергать действию вакуума несколько капиллярных колонок одновременно.

Интересный вариант статического способа, применимый для приготовления стеклянных капиллярных колонок, предложили Мистрюков и Илькова [142-144]. Заполненный 1-2%-ным раствором жидкой фазы капилляр с помощью специального приспособления без изменения его формы как бы “ввинчивается" во внутреннюю полость термостата, нагретого выше температуры кипения растворителя (рис. 38). Конец капилляра, находящийся в процессе нанесения жидкой фазы вне термостата, запаивается, а для более равномерного испарения растворителя служит дополнительный миниатюрный нагреватель с температурой на 30-40°С выше его температуры кипения. Температура внутри термостата поддерживается на 10-20°С выше температуры кипения растворителя, а скорость вращения подающего валика составляет 1-2 об/мин. После испарения растворителя на стенках капилляра остается равномерная пленка жидкой фазы, обеспечивающая эффективность колонок, равную 700-1000 т.т./м. Позже аналогичные системы были описаны и другими авторами [145]. Этот способ нанесения неподвижной фазы на стенки стеклянных и кварцевых капилляров отличается достаточно высокой воспроизводимостью. В качестве примера на рис. 39 приведены хроматограммы смесей гетероциклических соединений, полученные на приготовленных таким способом высокоэффективных колонках. До заполнения раствором жидкой фазы капилляр обрабатывают 3-5%-ным раствором плавиковой кислоты, нейтрализуют аммиаком и тщательно промывают водой. Позже описаны и другие сходные способы [146].

При осуществлении процесса статического нанесения неподвижной фазы на стенки стеклянных и кварцевых капиллярных колонок известные сложности связаны с необходимостью надежной герметизации одного из концов обрабатываемого капилляра в методе [141] (в частности, его холодного конца в методе [142]), Первоначально было предложено герметизировать концы капиллярной трубки с помощью отрезка трубки из сжимающегося фторопласта, закрытого кусочком запаянного стеклянного капилляра [147], Позже было предложено герметизировать концы капилляров с помощью пробки из силикатного клея [148] или путем погружения герметизируемого конца капилляра в расплавленный воск или парафин [149, 150].

Рис. 38. Приспособление для нанесения жидкой фазы на стеклянные капилляры статическим способом/ - электромотор; 2 - валик; 3 - шайбы; 4 - капилляр; 5 - ролик; 6 - термостат; 7 - задний подшипник; 8 - предохранительная спиральРис. 38. Приспособление для нанесения жидкой фазы на стеклянные капилляры статическим способом/ - электромотор; 2 - валик; 3 - шайбы; 4 - капилляр; 5 - ролик; 6 - термостат; 7 - задний подшипник; 8 - предохранительная спиральРис. 39. Хроматограммы изомерных гетероциклических соединений, полученные на капиллярных колонках с полисилоксаном

Рис. 38. Приспособление для нанесения жидкой фазы на стеклянные капилляры статическим способом

/ - электромотор; 2 - валик; 3 - шайбы; 4 - капилляр; 5 - ролик; 6 - термостат; 7 - задний подшипник; 8 - предохранительная спираль

Рис. 38. Приспособление для нанесения жидкой фазы на стеклянные капилляры статическим способом

/ - электромотор; 2 - валик; 3 - шайбы; 4 - капилляр; 5 - ролик; 6 - термостат; 7 - задний подшипник; 8 - предохранительная спираль

а - чнс и троне- изомеры декагидрохинолина; б - цис- и трйис-пзо- меры пергидроинлола

Капиллярные колонки весьма высокого качества получали статическим способом с предварительной дезактивацией поверхности путем пропускания через капилляр раствора дезактивирующего агента. Предложена следующая методика приготовления стеклянных капиллярных колонок с полифенилсилоксановыми неподвижными фазами [151]. Через капилляр, подготовленный как описано в работе [152], пропускали раствор гексафен ил циклотрисилоксана в этилацетате со скоростью движения фронта жидкости 4 см/сек. Затем колонку продували сухим азотом, нагревали до 400 °C со скоростью 5 град/мин и выдерживали 15 часов при этой температуре. После этого статическим способом наносили полиметилфенил силоксановые неподвижные фазы OV-25. OV-17, OV-1701 из растворов в хлористом метилене. Таким путем были получены колонки с весьма высокой эффективностью (ВЭТТ всего 0,2141,46 мм).

О приготовлении колонок весьма высокого качества с поли- фенилсилоксанами сообщают авторы работ [153, 154], причем в

последней работе по утверждению авторов и дезактивацию поверхности и нанесение неподвижной фазы выполняли в одну стадию, заполняя колонку раствором, содержащим сразу и дезактиватор и неподвижную фазу - полиметилфенилсилоксан, содержащий 5% фенильных групп. Подготовку поверхности стеклянных капиллярных колонок диаметром 0,3 мм проводили согласно рекомендациям работы [155]. При расчетной толщине пленки неподвижной фазы 0,15 мкм были получены капиллярные колонки со следующими довольно высокими значениями ЭЧП:

SE-52 38

SE-52 + ПЭГ-20М (3:1) 34

ПЭГ-20М 25

Приготовление стеклянных капиллярных колонок специально для анализа N-нитрозаминов описано в работе Аррендейла и сотр. [156], а в исследовании Гудвина [157] детально разобран целый ряд технических сложностей, возникающих при нанесении неполярных полисилоксановых неподвижных фаз на стенки стеклянных капиллярных колонок.

Большинство рекомендаций по статическому способу нанесения неподвижных фаз, имеющихся в литературе, относятся к стеклянным капиллярным колонкам. Сведения о специфических способах приготовления кварцевых колонок значительно более скудны, что легко объяснимо интересами современных производителей таких колонок о сохранении коммерческой тайны. Однако совершенно ясно, что многие приемы подготовки поверхности, разработанные для стеклянных капилляров, применимы и к кварцевым колонкам. Кроме того, их большая гибкость и термостойкость делают возможным осуществление процесса статического нанесения неподвижной фазы по Халашу и Хорвату [140] путем постепенного ввода капилляра, заполненного раствором неподвижной фазы, в термостат, нагретый выше температуры кипения растворителя.

Воспроизводимость статического метода достаточно высока, а затраты времени на испарение растворителя не превышают 1,5-3 часов. Важным преимуществом метода является возможность нанесения высокомолекулярных термостойких неподвижных фаз, дающих очень вязкие растворы, которые затруднительно продавить через капилляр при использовании динамического метода. Тем не менее способ нанесения жидкой фазы на стенки стеклянных и кварцевых капилляров, непокрытых каким-либо носителем или пористым слоем, предложенный Буше и Верцеле [117], является в настоящее время, по-видимому, наиболее надежным и воспроизводимым.

Некоторые затруднения, связанные с необходимостью иметь специальное оборудование для осуществления такого статического способа, можно преодолеть, применяя те или иные способы нанесения на стенки капилляра слоев носителей или адсорбентов, либо используя методы формирования таких слоев непосредственно на внутренней поверхности капилляра из материала его стенок. Эти приемы изложены в следующем разделе.

СТЕКЛЯННЫЕ И КВАРЦЕВЫЕКАПИЛЛЯРНЫЕ КОЛОНКИ СО СТЕНКАМИ,ПОКРЫТЫМИ ТВЕРДЫМИ НОСИТЕЛЯМИ

И АДСОРБЕНТАМИ

Кроме рассмотренных в предыдущем разделе тонких промежуточных слоев или мономолекулярных пленок, целиком покрывающих внутреннюю поверхность стеклянного капилляра, для получения высокоэффективных капиллярных колонок с успехом используют слои большей толщины, составленные из нанесенных на поверхность дискретных частиц или из пористого материала, сформированного путем воздействия теми или иными агентами на стенки стеклянных или кварцевых капилляров. Материал таких слоев может выступать в роли активных адсорбентов или выполнять функции инертного твердого носителя, обеспечивающего большую величину покрытой жидкой фазой поверхности при малой толщине пленки, что весьма существенно для интенсификации процессов массообмена. Во многих случаях наличие слоя инертных частиц малого размера, фиксированных на поверхности стеклянных капиллярных трубок, резко увеличивает устойчивость колонки к действию высоких температур. При наличии таких слоев часто значительно облегчается процесс нанесения жидкой фазы, улучшается его воспроизводимость, увеличивается сорбционная емкость колонки и длительность ее стабильной работы [158].

Потенциальные преимущества полых капиллярных колонок с пористым слоем на стенках предсказывались еще в самых первых работах первооткрывателя капиллярной хроматографии Го- лея [159]. Первые опыты по формированию на внутренней поверхности стеклянных капилляров адсорбционного слоя были проведены Монке и Заффертом [23, 159]. Капилляры из йенского стекла заполняли целиком 12-17%-ным водным раствором аммиака, запаивали и нагревали 30 часов при 170-180 °C. Затем вскрывали капилляр, удаляли избыток раствора и. медленно про-

дувая инертный газ, нагревали до 180°С для удаления следов воды и аммиака. Как показали микроскопические исследования, в зависимости от условий обработки на поверхности капилляра образуется слой силикагеля толщиной 5-20 мкм. Такая природа этого слоя была подтверждена также методом ИК-спектроско- пии. Обработанная таким образом колонка длиной 80 м позволила осуществить один из наиболее любопытных анализов во всей истории газовой хроматографии - разделить ядерно-спиновые изомеры изотопов водорода (рис. 40).

Как показали Лейбниц и Монке [161], на стенки обработанных таким образом капилляров можно нанести жидкие фазы, в том числе достаточно полярные, и получить довольно высокоэффективные колонки для газо-жидкостной хроматографии. Благодаря применению менее концентрированного раствора аммиака в этих опытах, получали более тонкие слои силикагеля, толщиной около 5 мкм. При нанесении на внутреннюю поверхность такого капилляра длиной 8 м динамическим способом полиэтиленгликоля 200 из 0,5%-ного раствора была получена колонка с эффективностью около 1500 т.т./м. Аналогичным способом готовили хорошие адсорбционные колонки обработкой капилляров из молибденового стекла дистиллированной водой при 71-74°С в течение 2,5 часов [162]. Эти колонки, позволившие анализировать углеводороды до С!5 и выше, по-существу, получались в результате несколько более глубокого проведения процесса поверхностной коррозии стекла с целью повышения его способности смачиваться органическими жидкостями. Аналогичные результаты были получены Брунером и Картони [25] при обработке стекла гидроксидом натрия и Киселевым с сотр. [72, 163] при обработке стеклянных трубок хлороводородной кислотой.

В большинстве случаев такие колонки используют для газоадсорбционных разделений и иногда получают весьма интересные результаты (см., например, рис. 41) [24].

Влияние травления газообразным хлористым водородом на качество получаемых капиллярных колонок при разделении различных производных дифенила изучали Крупчик и сотр. [164]. Эти авторы использовали колонки из мягкого известково-натри- евого стекла. Неподвижными фазами служили полиэтиленгликоль карбовакс 20М и полисилоксан OV-I01.

Кэзер в своей работе по изучению веществ, обусловливающих запах, сравнивал различные способы дезактивации поверхности стеклянных капилляров и нашел, что наилучшнм способом для достижения этой цели является травление капилляров сухим хлористым водородом [165]. Как показано в этой и последующих работах [166-168], при действии газообразного хлористого водо-

Рис. 40. Разделение ядерно-спиновых изомеров и изотопов водорода. Адсорбционная стеклянная капиллярная колонка длиной 80 м. Температура 77,4 К, газ-носитель неон

I - гелий; 2 - пара-протий; 3 - орто-протий; 4 - дейтерид протия; 5 - орто- дейтерий; 6 - паря-дейтерий

330330300300320320340340310310Время, минВремя, минРис. 41, Разделение метанов с разным изотопным составом. Стеклянная капиллярная колонка, протравленная NaOH, длиной 47 м и диаметром 0.22 мм, скорость газа-носителя - смеси азота и гелия (7:3) 1 мл/мин, давление на входе в колонку 210 мм рт. ст.Рис. 41, Разделение метанов с разным изотопным составом. Стеклянная капиллярная колонка, протравленная NaOH, длиной 47 м и диаметром 0.22 мм, скорость газа-носителя - смеси азота и гелия (7:3) 1 мл/мин, давление на входе в колонку 210 мм рт. ст.

330

330

300

300

320

320

340

340

310

310

Время, мин

Время, мин

Рис. 41, Разделение метанов с разным изотопным составом. Стеклянная капиллярная колонка, протравленная NaOH, длиной 47 м и диаметром 0.22 мм, скорость газа-носителя - смеси азота и гелия (7:3) 1 мл/мин, давление на входе в колонку 210 мм рт. ст.

Рис. 41, Разделение метанов с разным изотопным составом. Стеклянная капиллярная колонка, протравленная NaOH, длиной 47 м и диаметром 0.22 мм, скорость газа-носителя - смеси азота и гелия (7:3) 1 мл/мин, давление на входе в колонку 210 мм рт. ст.

рода поверхность стекла покрывается мельчайшими частицами хлорида натрия, хорошо удерживающими пленку неподвижной фазы (рис. 42). Бадинг и corp. [169] рекомендовали для образования плотного слоя субмикронных частиц хлорида натрия на поверхности стекла проводить травление в течение 1-2 часов при 300°С и сразу после этой процедуры удалять травящий агент путем вакуумирования капилляра.

Рис. 42. Микрофотографии внутренней поверхности стеклянных капиллярных колонок с кристаллами хлорида натрия, полученными при травлении хлористым водородом с последующей обработкой золем хлорида натрия (а) и нанесенная пленка полисилоксановой неподвижной фазы (6)

Описаны также различные способы прямого нанесения частиц хлорида натрия на стенки стеклянных капилляров. В частности, хлорид натрия может быть осажден на стенках капиллярных колонок пропусканием через них его золей в органических растворителях с последующим высушиванием и перекристаллизацией при 350°С в течение 1 часа. Слои хлорида натрия достаточно равномерны и позволяют с хорошей воспроизводимостью получать капиллярные колонки с эффективностью более 2700 т.т./м (рис. 43) [168]. Способы приготовления капиллярных колонок с нанесенным на стенки хлоридом натрия предложены также Ватанабе с сотр. [170, 171]. Эти авторы рассматривают хлорид натрия как твердый носитель, на который можно наносить полисилоксановые неподвижные фазы, например, такие, как SF-96 и OV-101. Сравнение таких колонок с аналогичными колонками, но не обработанными хлоридом натрия, показало серьезное преимущество первых как по эффективности, так и по нагрузочным характеристикам и по термической устойчивости.

Стеклянные капиллярные колонки с поверхностью, покрытой дендритными кристаллами хлорида натрия, получали путем пропускания через капилляры водного раствора этой соли с добавкой небольшого количества поверхностно-активных веществ. При последующем нанесении полярных неподвижных фаз такой поверхностно-активной добавкой служил полиэтиленгликоль Карбовакс 20М, а для неполярных неподвижных фаз - хлорид бензилтрифенилфосфония [172].

Рис. 43. Хроматограмма мятного масла, полученная на кварцевой капиллярной колонке длиной 60 м и диаметром 0,25 мм с полиэтиленгликолем Супелковакс 10 в качестве неподвижной фазы (толщина пленки 0,25 мкм). Температура колонки: 4 мин при 75°С, далее нагрев до 200°С со скоростью 4 град./мин, выдержка при этой температуре 5 мин. Объем пробы 0,2 мкл, коэффициент деления потока: 1:100; газ-носитель гелий, линейная скорость 25 см/сек

/ - а-пинен; 2 - Р-пинен; 3 - сабинен; 4 - мирцен; 5 - а-терпинен; б - лимонен; 7 - 1,8-цинеол; 8 - цас-оцимен; 9 - у-терпинен: 10 -пара-цимен; // - терпинолен; /2 - 3-октанол; 13 - 1-октен-З-ол; 14 - троне-сабинен гидрат; 15 - Ь-мен- тон; 16 - ментофуран; /7 - D-изо-ментон; 18 - Р-бурболен; 19 - линалоол: 20 - ментилацетат; 2/ - неоментол; 22 - терпинен-4-ол; 23 - р-кариофиллен: 24 - L- ментол; 25 - пулегон; 26 - а-терпинеол; 27 - D-герма крен; 28 - пиперитон; 29 - виридифлорол (Supelco Chromatography Products, Gland (Switzerland): Supelco SA: 1992, p. 42)

Травление внутренней поверхности стеклянных капилляров газообразным корродирующим агентом - парами метилтриф- торхлорэтилового эфира - позволило Преториусу с сотр. [173, 1741 получить капилляры с внутренней поверхностью, покрытой своеобразными кристаллическими “усами” - стержнеобразными поликристаллическими выростами, которые состоят, по-видимо- му, главным образом, из кремнезема и равномерно распределены на внутренней поверхности капиллярных трубок.

Для изготовления такого капилляра один конец его присоединяют к вакуумной системе, а второй к короткой стеклянной

трубке диаметром около 5 мм, закрытой пробкой из силиконовой резины, В капилляре создают разрежение порядка КН мм рт. ст. и отпаивают конец, присоединенный к вакуум-насосу. После этого шприцем через силиконовую пробку вводят требуемое количество метилтрифторхлорэтилового эфира и отпаивают капилляр от трубки. Запаянный теперь с обоих концов капилляр нагревают до 35О-5ОО°С в печи без градиентов температуры, выдерживают в течение нескольких часов, а затем продувают сухим азотом при 200°С и освобождают от углеродистого налета на стенках продувкой кислородом при 450°С в течение 6-12 часов. Количество вводимого жидкого эфира составляло 2,5-10% от объема обрабатываемого капилляра. Оптимальные результаты были получены при 400°С и концентрации эфира около 5%. Микрофотографии (рис. 44), полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, показали, что вырастающие усы равномерно распределены по окружности капилляра и имеют почти одинаковые размеры [173]. Длина “усов" колеблется, в зависимости от концентрации эфира, от 5 до 30 мкм.

Согласно данным авторов [173-175], на обработанные таким образом капилляры могут быть динамическим способом нанесены различные жидкие фазы, что дает возможность приготовления высокоэффективных колонок. “Усы" обладают большой прочностью, не ломаются и не отрываются от поверхности ни при продавливании жидкостей через капилляр, ни при дальнейшей эксплуатации колонки. Обширные данные о технике проведения дезактивации капилляров таким способом, об эффективности получаемых колонок (ВЭТТ, соотношение неподвижной и газообразной фаз, допустимый объем проб и др.) и об их применении для разделения сложных смесей углеводородов, стероидов, эфирных масел, пестицидов, жирных кислот и других групп органических соединений приведены в обстоятельных работах Шике и Преториуса [176-179]. Позже аналогичные результаты были получены в работах [180, 181].

Онушка и Комба [182], сопоставляя различные способы модификации поверхности стеклянных капилляров, показали возможность получения высокоэффективных колонок, модифицированных описанным ими способом, не только с полисилоксановыми неподвижными фазами, но и с полярным полиэтиленгликолем карбовакс 20М. Приготовленные по описанному этими авторами способу высокоэффективные колонки были с успехом использованы для анализа сложных многокомпонентных смесей полихлорированных бифенилов, известных под общим названием Арохлор.

Тщательная отработка условий травления позволила получить подобные “усы” и при действии на поверхность стекла газо-

6

Рис. 44. Микрофотографии внутренней поверхности стеклянных капиллярных колонок: "усы", полученные при травлении парами метилтрп- фторхлорэтплового эфира

Рис. 45. Микрофотографии внутренней поверхности стеклянного капилляра после травления газообразным фтористым водородом

образного фтористого водорода при 400°С в течение 12 часов (рис. 45) [183]. Эти “усы” образуют рыхлую структуру, подобную войлоку, и позволяют получать колонки с эффективностью до 228 тыс. т.т. при длине 38 м (6-8 тыс. т.т./м).

Рассмотренные способы обработки стеклянных капилляров имеют весьма значительные перспективы. Однако в настоящее время достаточно широко используются капиллярные колонки, на внутреннюю поверхность которых тем или иным путем нанесен слой равномерно распределенных частиц малого размера, выполняющих функцию инертного твердого носителя. Для образования таких слоев можно применять статический способ нанесения жидкой фазы, однако в случае стеклянных капилляров на практике оказывается более удобным пользоваться динамическим способом, либо формировать слой носителя или сорбен-

та в процессе вытягивания капилляра из стеклянной заготовки (см. ниже).

В настоящее время находят применение капиллярные колонки со слоем коллоидного кремнезема, наносимого на стенки капилляров одновременно с жидкой фазой [184-187]. Описанные в работе [188] видоизменения техники нанесения такого слоя, предусматривающие применение ультразвука для предварительной гомогенизации суспензии и силанизации микрочастиц двуокиси кремния с целью подавления нежелательных адсорбционных явлений, позволили приготовить колонки, нашедшие широкое применение в биохимических исследованиях. При использовании такого метода поверхность стеклянного капилляра не подвергалась травлению, но обрабатывалась силанизирующими агентами с последующим нанесением неполярных жидких фаз. В случае применения полярных жидких фаз силанизацию не проводили [188, 189]. По-видимому, стабилизация пленки жидкой фазы в этих колонках происходит вследствие наличия на гладкой поверхности частиц двуокиси кремния, удерживаемых сорбционными силами без использования каких-либо химических закрепляющих агентов [190].

Капиллярные колонки для газовой адсорбционной хроматографии готовили путем нанесения на стенки стеклянных капилляров тонких слоев диоксида кремния из коллоидных растворов, содержащих кремнекислоту и поверхностно-активные добавки [191, 192]. Для этой цели применяли коммерчески доступные препараты CD-I00 (коллоидный раствор SiO2 в гептане), Силоид-244 (коллоидный раствор SiO2, стабилизированный поверхностно-активным веществом Игепал СО-430 (нонилфеноксиполи-(этиле- нокси)-этанол), суспензиями PZ-240 и PZ-250. Были получены колонки, вполне устойчивые до температуры 175°С и пригодные для разделения смесей углеводородов С5-С,2 бензиновых фракций и метиловых эфиров жирных кислот Сй-С18.

Ряд факторов, определяющих эффективность колонок с нанесенным на стенки аморфным диоксидом кремния, были изучены в работе [193], содержащей подробное описание техники приготовления капиллярных колонок. Отмечается, что полученные колонки с неподвижными фазами OV-101, OV-225, ПЭГ-20М, Силар-10 обладали высокой эффективностью при разделении смесей, содержащих углеводороды, спирты, 2,6-диметилфенол и 2,6-димети- ланилин. Эти колонки оказались устойчивыми также и при непосредственном вводе водных проб довольно большого объема.

Наивысшие температуры эксплуатации таких колонок определяются жидкими фазами. Так, колонки с SE-30 могут использоваться примерно до 320°С, колонки с полифенилсульфоном [194] - до 32О-35О°С. Эффективность колонок при этом состав-

ляет 1500-1600 т.т./м, так что колонка длиной 60 м обладает разделяющей способностью, эквивалентной 100 тыс. т.т. Это дает возможность применять такие колонки для решения самых сложных задач, в том числе для анализа стероидов, метаболитов ряда фармацевтических препаратов и для решения других медикобиологических проблем.

Слой бентона 34 - комплекса бентонитовой глины с четвертичными аммониевыми основаниями - может быть нанесен динамическим способом на стенки стеклянных капилляров из суспензий или коллоидных растворов в органических растворителях ароматического характера [41, 195]. Благодаря наличию в составе бентона 34 органических составляющих, этот слой без какой- либо жидкой фазы обеспечивает разделение ряда близких изомерных пар, например, яета- и парл-ксилолов. Кроме того, он может быть покрыт и другими жидкими фазами, непосредственное использование которых в капиллярных колонках затруднительно [195]. Однако органо-глинистый комплекс бентона 34 обладает относительно низкой термической устойчивостью, и высокая эффективность колонок сохраняется лишь в области относительно невысоких температур. Значительно более устойчивы слои из диатомитовых носителей [196, 197].

Тонкоизмельченный Хромосорб R наносили статическим способом в одну стадию на стенки капилляров размером 25 м х 0,4 мм из 15%-ного раствора полисилоксана OV-101, в котором было суспендировано 5% Хромосорба R [198, 199]. Полученные колонки с успехом применяли для разделения летучих производных аминокислот с использованием электронно-захватного детектора на ®Ni.

Сходным образом, на стенки кварцевых капилляров наносили слой мелкозернистого оксида алюминия [200]. Порошок оксида алюминия, в котором 95% частиц имели размер меньше 2 мкм, активировали нагреванием в течение 24 часов при 300°С. Затем 20 г полученного адсорбента смешивали с 70 мл 5%-ного раствора детергента Диспутал в 1%-ной уксусной кислоте и в течение 10 мин обрабатывали на ультразвуковой бане. Обработанную суспензию фильтровали через сетку с размерами ячеек 300 меш (около 0,04 мм) и оставляли стоять 24 часа. Далее к кварцевому капилляру длиной 50 м и диаметром 0,32 мм присоединяли отрезок такого же капилляра длиной 25 м и шприцем вводили в рабочий капилляр 1 %-ную уксусную кислоту в таком количестве, чтобы в капилляре образовалась жидкостная пробка длиной примерно 10 м. После этого также шприцем в капилляр вводили 0,4 мл приготовленной суспензии твердого носителя и продавливали ее через капилляр давлением азота, установив вначале скорость его

Рис, 46. Схема нанесения слоя кристаллов карбоната бария на стенки стеклянных капилляров

подачи 4 мл/мин. Когда пробка суспензии проходила примерно 50% длины капилляра, систему разъединяли и в капилляр вводили еще 0,4 мл суспензии. Далее пропускали всю жидкость через всю колонку, отсоединяли буферный капилляр и выдерживали приготовленную колонку 16 часов без сотрясений. Затем колонку высушивали в токе азота при входном давлении 2 кг/см2 в течение трех дней при 25°С, после чего ее активировали 3 часа в токе азота при входном давлении 1 кг/см2 с подъемом температуры от комнатной до 300°С со скоростью 10 град./мин. После охлаждения колонку дважды промывали 2%-ным раствором хлорида калия, пропуская раствор под давлением азота 2 кг/см2, после чего сушили 24 часа в токе азота при давлении на входе 5 кг/см2. Далее колонки активировали 60 мин при 300 °C в потоке газа-носителя. Приготовленные таким образом колонки содержали 3-4 мг оксида алюминия на 1 м длины капилляра. По-видимому, такой способ приготовления капиллярных газо-адсорбционных колонок или его сходные модификации оказались достаточно плодотворными, так как в настоящее время капиллярные колонки с оксидом алюминия серийно производит голландская фирма “Хромпак”.

Предложен весьма изящный способ формирования на поверхности стеклянных капилляров тонкого слоя мельчайших частиц устойчивого инертного носителя - углекислого бария, химически осаждаемого из раствора гидроксида бария, продавливаемого в виде пробки жидкости, как при динамическом методе [201]. Техника выполнения этой операции проста: в исходный капилляр вводят шприцем небольшое количество соляной кислоты (0,1 М), образующей внутри него жидкую пробку длиной 1-2 м. Затем создают на входе небольшое давление газа, продвигающее пробку кислоты на 20-50 см внутрь капилляра, и вводят раствор гидроксида бария (0,05-5%), также образующий жидкую пробку длиной 1-2 м. Слой кислоты теперь оказывается отделенным от слоя раствора гидроксида бария воздушным промежутком (рис. 46). Далее продвигают обе жидкие пробки одновременно,

используя для создания давления углекислый газ. При этом соляная кислота гидролизует поверхность стекла, образуя свободные силанольные группы, вступающие во взаимодействие с гидроксидом бария и фиксирующие ионы бария на поверхности стекла. Далее под действием углекислоты в пленке жидкости, оставшейся на стенках после того, как прошла пробка раствора гидроксида бария, происходит образование микрокристаллического осадка карбоната бария. Рост кристаллов начинается на стенках капилляра, и образующиеся кристаллические зародыши оказываются прочно прикрепленными к поверхности стекла.

По окончании продавливания капилляр подвергается сушке в токе углекислого газа, после чего на образовавшийся слой мелкокристаллического карбоната бария наносят желаемую жидкую фазу обычным динамическим способом из подходящего растворителя. Эффективность приготовленных таким образом колонок достигает 3000-3500 т.т./м при хорошей воспроизводимости результатов. Отсутствие необходимости в какой-либо специальной аппаратуре для приготовления растворов или нанесения жидкой фазы, высокая эффективность получающихся колонок и хорошая воспроизводимость результатов обеспечивают предложенному способу широкую область применения.

Авторы этого способа приготовления стеклянных и кварцевых капиллярных колонок провели обширный цикл исследований, в которых были выявлены оптимальные условия проведения описанного процесса и исследована структура образующегося слоя частиц карбоната бария с помощью метода сканирующей электронной микроскопии [202-208]. В ряде работ была показана возможность приготовления таким способом высокоэффективных колонок с полярными неподвижными фазами, в том числе с полиэтиленгликолями разной молекулярной массы [209, 210].

Высокая эффективность колонок со слоями карбоната бария была подтверждена и другими авторами [211], в том числе и на примерах разделения спиртов и других полярных соединений. Ар- рендейл и corp. [212] провели обстоятельное сопоставление капиллярных колонок с кристаллами ВаСО3 на стенках и колонок, приготовленных с предварительной дезактивацией поверхности высокомолекулярным полиэтиленоксидом Суперокс ТМ-4, В качестве неподвижных фаз были испытаны полисилоксаны SE-54, SP-2250 и полиэтиленгликоль Карбовакс 20М [213]. Авторы этой работы отмечают преимущества колонок, полученных комбинированным способом: колонки со слоем кристаллов карбоната бария перед нанесением неподвижной фазы обрабатывали Суперок-

сом TM-4. Полученные колонки были с успехом использованы для анализа смесей, содержащих октанол-1, октанон, нафталин, 2,4- диметилфенол, 2,4-диметил анилин, метиловые эфиры жирных кислот Cjj-C,;, полициклические ароматические углеводороды, компоненты вытяжек из листьев табака и другие соединения.

Интересно отметить, что, несмотря на очевидный интерес, в литературе отсутствуют сообщения об использовании других аналогичных систем с иными малорастворимыми солями по методике, аналогичной предложенной в работе Гроба и сотр. Можно было бы осаждать малорастворимые карбонаты кальция и стронция, хлориды и сульфиды серебра, меди и других элементов. Однако такие эксперименты до настоящего времени в литературе не описаны.

Все рассмотренные способы получения сорбционных слоев путем химического воздействия на стенки капиллярных трубок или осаждения на них мелких минеральных частиц приводят к образованию весьма тонких слоев, толщиной от 1 до 10 мкм, имеющих ограниченную сорбционную емкость. Методы формирования сорбционных слоев одновременно с вытягиванием капилляра применяются достаточно давно и в отличие от всех описанных выше способов приводят к образованию более толстых слоев, до 100-150 мкм, что повышает сорбционную емкость колонок и позволяет резко увеличить допустимую величину пробы.

Одной из первых работ такого рода явилось сообщение Го- ретти, Либерти и Нота [214] о приготовлении стеклянных капиллярных колонок с толстыми слоями графитированной сажи, формируемыми в процессе вытягивания капилляра. С этой целью в исходную стеклянную трубку - заготовку для вытягивания капилляра - вводили металлический стержень, занимавший около 60-80% сечения заготовки. Конец стержня был заточен в форме конуса с углом при вершине около 10°. К вершине конуса был прикреплен прямой отрезок вольфрамовой проволоки диаметром 0,2-0,3 мм. Пространство между стержнем и стенками трубки плотно заполняли мелкозернистой графитированной сажей. Подготовленную таким образом заготовку устанавливали в прибор для вытягивания капилляров, так чтобы конический конец внутреннего стержня находился в обогревательной печи, а вольфрамовая проволока оказалась бы внутри вытягиваемого капилляра (рис. 47). Второй конец стержня закрепляют неподвижно, так что подающие ролики как бы стягивают стеклянную заготовку со стержня. Получаемые капиллярные колонки со слоем графитированной сажи на стенках (100-120 мкм) обеспечивали возможность разделения разнообразных соединений с эффективностью около 2000 т.т,/м. Полученные колонки использовали для разделения моно- и сесквитерпеновых углеводородов, терпе-

Рис. 47, Вытягивание стеклянных капилляров с толстыми слоями адсорбентов или твердых носителей

/ - стеклянная трубка-заготовка; 1 - неподвижный стержень; 3 - адсорбент или твердый носитель; 4 - вольфрамовый наконечник; 5 - тянущие ролики; 6 - вытянутый капилляр

новых спиртов, ацетатов, альдегидов, кетонов и других соединений при анализе эфирных масел [214]. Стеклянные капиллярные колонки, покрытые слоем графитированной сажи, модифицированной небольшой добавкой неподвижной фазы, были с успехом использованы для разделения пестицидов, терпенов, ароматических углеводородов, жирных кислот и фенолов, в том числе изомеров крезола [215].

Аналогичным путем Грант [216] готовил капилляры со стенками, покрытыми толстыми слоями диатомитовых твердых носителей. Для закрепления слоев на поверхности стеклянных капилляров к исходному мелкозернистому носителю добавляли тонкоизмельченные легкоплавкие соли, например хлорид лития. Высокая гигроскопичность этой соли снижала стабильность слоев. В дальнейшем лучшие результаты были получены при замене хлористого лития мелкораздробленным легкоплавким стеклом [217]. Хотя методы формирования сорбционных слоев большой толщины в процессе вытягивания капилляра обладают очень высокой воспроизводимостью, они пока не приобрели большого распространения из-за необходимости иметь специальную аппаратуру и из-за более высоких требований к постоянству условий изготовления капилляров.

Таким образом, можно сделать вывод, что при современном уровне развития методики и техники капиллярной хроматографии наиболее удобными в практическом отношении и перспективными способами приготовления высокоэффективных стеклянных капиллярных колонок являются методы, рекомендованные в работах [136, 188, 201]. Для получения универсальных ка-

пиллярных колонок для адсорбционной хроматографии, по-види- мому, наиболее пригоден метод формирования слоев адсорбента при вытягивании капилляра [213-217].

Колонки с нанесенным на стенки сорбентом много раз сравнивали с колонками, полученными с использованием различных способов модификации поверхности, в том числе путем травления газообразным хлористым водородом [218]. Полученные при этом результаты говорят о том, что, помимо некоторых специальных случаев, колонки со стенками, покрытыми достаточно толстыми слоями сорбентов, нанесенными на стенки или сформированными из материала самого капилляра, оказываются более предпочтительными [219].

С другой стороны, дезактивация внутренней поверхности стеклянных и кварцевых капилляров пленками полисилоксанов [220] или действием сил авизирующих агентов с фенильными группами [221] определенно дает возможность получать достаточно инертные, высокоэффективные и стабильно работающие в течение длительного времени колонки.

В последней работе [221] для дезактивации поверхности капилляров размером 15 м х 0,3 мм использовали дифенилдихлор- силан, трифенилхлорсилан и октафенилциклотетрасилоксан. В качестве неподвижных фаз применяли полисилоксаны Дек- сил 400, OV-17, OV-25, SP-2250. Эти неподвижные фазы наносили статическим способом из 0,2%-ного раствора. Дезактивацию поверхности капилляров осуществляли следующим образом. Колонку заполняли в вакууме 20%-ной хлороводородной кислотой на 92-95% ее объема [222], запаивали и нагревали 12 часов при 140-180°С. По охлаждении колонку промывали 2%-ной хлороводородной кислотой, затем дистиллированной водой и метанолом, после чего высушивали и дегидратировали в токе сухого азота при 300°С [223]. Затем динамическим способом наносили дезактивирующие агенты. Дифенилдихлорсилан пропускали через колонку в чистом виде, трифенилхлорсилан наносили из 1%-ного раствора в сухом хлористом метилене, а октафенилциклотетрасилоксан - из насыщенного раствора в том же растворителе. Затем концы капилляра запаивали и нагревали его 16 часов при 400°С. После охлаждения открывали концы и продували капилляр сухим азотом. На подготовленный таким образом капилляр наносили неподвижную фазу статическим способом из 0,2%-ных растворов в подходящих растворителях. В качестве неподвижных фаз применяли высокотемпературные полисилоксаны Дексил 400, OV-17, OV-25 и SР-2250. Таким способом получали очень стабильные высокоэффективные капиллярные колонки, весьма инертные в отношении нежелательных адсорбционных явлений.

ИММОБИЛИЗАЦИЯ ПОЛИСИЛОКСАНОВЫХНЕПОДВИЖНЫХ ФАЗ

НА СТЕНКАХ КАПИЛЛЯРНЫХ КОЛОНОК

Весьма существенного улучшения стабильности и повышения адсорбционной инертности капиллярных колонок с полисилокса- новыми неподвижными фазами удалось добиться, применяя различные способы межмолекулярной сшивки полисилоксановых полимеров с получением прочных нерастворимых пленок, обладающих в то же время достаточно высокой растворяющей и удерживающей способностью, необходимых для хорошего разделения веществ, подвергаемых газохроматографическому анализу.

Систематическое изучение температурной стабильности полисилоксановых неподвижных фаз показало, что эти материалы интенсивно деградируют при температурах выше 250°С с образованием летучих низкомолекулярных продуктов, которые выносятся из колонки с потоком газа-носителя. Эти процессы были изучены на примере полидиметилсилоксановых неподвижных фаз SE-ЗО и OV-1 в температурном диапазоне 250-390°€ [224].

Необходимость обеспечить более высокие рабочие температуры и повысить стабильность колонок при длительной работе побудила ряд исследователей к изучению возможностей получения высокотермостойких неэкстрагируемых полисилоксанов in situ, непосредственно в капиллярных колонках. Так, Бломберг и Уэннман [225] описали способ синтеза таких неподвижных фаз и сопоставили рабочие характеристики капиллярных колонок со сшитыми и линейными полисилоксанами. Эта работа показала заметные преимущества поперечно-сшитых полисилоксановых неподвижных фаз. Сходные методы описаны в американском патенте [226] и в работах Мадани, Шамбаза и сотр. [227, 228]. В последней работах были приготовлены капиллярные колонки, с успехом использованные для анализа стероидных гормонов и простагландинов. Мадани и Шамбаз [229] сообщают также о том, что по предлагаемой ими технологии могут быть приготовлены стабильные и достаточно эффективные колонки не только с неполярными полиметилсилоксанами, но и с силиконами, содержащими полярные группы.

Довольно подробные исследования по сшивке полисилоксановых полимеров непосредственно в капиллярных колонках описали Сандра и Верцеле с сотр; в работе [230] и в последующих публикациях. В этих и других публикациях по данному вопросу в большинстве случаев сшивающими агентами служили органические перекиси, в очень небольших количествах добавляемые в

растворы неподвижных фаз при нанесении их на поверхность стеклянных и кварцевых капилляров [231, 232]. В последней работе было показано, что иммобилизованные полисилоксановьте неподвижные фазы обеспечивают такие преимущества перед колонками с линейными полисилоксанами, как значительное повышение термической устойчивости, возможность нанесения слоев большой толщины и, что весьма существенно, возможность регенерации долго работавших колонок, частично утративших свою эффективность вследствие загрязнения нелетучими примесями анализируемых проб и продуктами полимеризации и осмоления их отдельных компонентов. Такая регенерация колонок со сшитыми полисилоксановыми неподвижными фазами осуществляется достаточно просто путем пропускания через колонку в прямом и обратном направлении нескольких порций хлористого метилена объемом 2-5 мл с последующим высушиванием в токе газа- носителя при постепенном подъеме температуры до 180-200°С.

Процесс приготовления стеклянных капиллярных колонок с химически связанными неподвижными фазами довольно подробно описан в работе японских авторов [233]. В этой работе отмечается, что способы прививки неподвижной фазы к поверхности стеклянных капилляров, обеспечивающие образование связей Si-0-Si, позволяют добиться наиболее высокой термической устойчивости колонок и их стойкости к действию экстрагентов. Приготовление стеклянных капиллярных колонок большого диаметра с нанесенной на стенки неподвижной фазой описано также в работе Онушки и сотр. [234].

Каучукоподобные иммобилизованные неподвижные фазы для стеклянных капиллярных колонок рассматриваются как предпочтительные и в работах Гроба [235, 236]. Наиболее предпочтительными этот автор считает иммобилизованные неподвижные фазы, получаемые из полисилоксанов SE-3O, OV-1, SE- 52, SE-54 и SP-2125x. Автор этих работ справедливо полагает, что внедрение в практику газохроматографического анализа высокоэффективных стеклянных колонок с иммобилизованными неподвижными фазами представляет собой серьезный прогресс в развитии аналитической техники.

Для иммобилизации полисилоксановых неподвижных фаз применяют, в основном, обычные перекисные сшивающие агенты ди- кумилпероксид или дибензоилпероксид [237, 238]. Для полидиме- тилсилоксанов и ряда винилсиликонов было изучено влияние количества внесенного дибензоилпероксида на полярность получаемой иммобилизованной неподвижной фазы, эффективность приготовленных колонок и на толщину пленки образовавшегося нерастворимого полимера [239, 240]. Способ приготовления стеклянных ка-

пиллярных колонок со сшитой полиметилсилоксановой неподвижной фазой, отличающейся высокой термической устойчивостью и пригодной для разделения труднолетучих полициклических ароматических углеводородов, описан Бломбергом и сотр. [241, 242]. В работе [243] описан способ нанесения неэкстрагируемой пленки циансиликонового каучука путем образования сшитого полимера непосредственно в колонке. Полученные при этом капиллярные колонки применяли для разделения полициклических ароматических углеводородов и летучих производных углеводородов. В этом исследовании было показано, что колонки с силоксановыми полимерами, полученными из смеси Р-цианоэтилметилдихлорсилана и диметилдихлорсилана или из бис-(у-цианопропил)-дихлорсилана, превосходят по своим качествам колонки с такими неподвижными фазами как Силар-ЮС, ХЕ-60 и АН-600.

При достаточно широком распространении способов иммобилизации полисилоксановых неподвижных фаз с помощью органических пероксидов (перекисей бензоила, кумила и трет.-бу- тила) [235-246] Рихтер и сотр. [247] сообщают о нежелательных явлениях окисления полисилоксанов с толильными и цианопро- пильными группами при использовании органических пероксидов и рекомендуют проводить этот процесс с помощью азосоединений с третичными атомами углерода (азо-трет.-бутил, азо- изо-октил и др.). Эти же агенты, легко образующие свободные радикалы, рекомендованы и в работе [244].

Примеры успешного применения при приготовлении стеклянных и кварцевых капиллярных колонок азо-изо-бутиронитрила, разлагающегося с образованием свободных радикалов уже при 80°С, может служить работа [248]. Стеклянные капилляры размером 20 м х 0,25 мм вначале подвергали травлению динамическим способом [249], а затем силилировали при 400°С [250]. Кварцевые капилляры не подвергали какой-либо предварительной обработке. После нанесения полисилоксановой неподвижной фазы SE-54 статическим способом из 0,5%-ного раствора в пентане, содержащего 0,5 мг/мл азо-мзо-бутиронитрила, колонки вакуумировали, запаивали под вакуумом и прогревали 3 часа при 80°С. После этого колонки кондиционировали обычным способом. Стабильность полученных колонок оценивали, измеряя индексы удерживания компонентов смеси тестовых веществ сразу после приготовления и после промывки 25 мл хлористого метилена. Было установлено, что такая промывка не приводит к сколько-нибудь существенному изменению индексов удерживания таких компонентов тестовой смеси, как углеводороды С9-С!2 и 1-октанол. Только для 2,6-диметилфенола и 2,6-диметиланили- на отмечалось увеличение индексов удерживания на 0,4—0,5 еди-

ницы индекса. Эффективность полученных колонок составляла 2500-3000 т.т. на 1 м длины, что следует признать достаточно высоким результатом (эффективность на уровне 75-80% от наибольшего, теоретически возможного значения). Авторы работы [248] отмечают, что как применяемый инициатор, так и продукты его распада не изменяют заметным образом хроматографических характеристик полисилоксановых неподвижных фаз.

Еще одним интересным агентом для сшивки полисилоксановых неподвижных фаз является озон [249]. Кварцевый капилляр размером 15 м х 0,25 мм дезактивировали октаметилцикло- тетрасилоксаном (агент D4), нагревая запаянный капилляр со скоростью 5 град/мин до 440°С. При этой температуре капилляр выдерживали 2 часа. Затем капилляр медленно охлаждали, промывали хлористым метиленом и статическим методом наносили полисилоксановую неподвижную фазу из 4%-ного раствора в том же растворителе. Указанная концентрация растворителя соответствует толщине пленки неподвижной фазы, равной 0,25 мкм. После завершения операции нанесения неподвижной фазы колонку продували 3 часа сухим азотом и кондиционировали путем нагревания до 200°С со скоростью 2 град/мин. При этой температуре колонку выдерживали 5 часов, а затем заполняли ее кислородом, содержащим 3% озона. Эту смесь продували через колонку 15 мин. Далее при нанесении в качестве неподвижных фаз полисилоксанов SE-33 или SE-54 колонку сразу же продували сухим азотом в течение 3 ч. Если же наносили неподвижные фазы SE-30 или SE-52, то после продувки озоном колонку запаивали и помещали в термостат, нагретый до 150°С. Через 15 мин колонку извлекали из термостата, охлаждали и продували сухим азотом при 20°С. Затем колонки промывали 5 мл хлористого метилена и кондиционировали, нагревая до 300°С со скоростью 2 град/мин. При этой температуре колонку выдерживали 12 часов.

Описаны также процедуры иммобилизации на стенках кварцевых капилляров полиэтиленгликоля Карбовакс 20М и полиэфирной неподвижной фазы FFAP [250]. Три последние процедуры иммобилизации, описанные в работах [250-252], пока не приобрели широкого распространения, хотя по данным авторов этих работ позволяют готовить достаточно высокоэффективные колонки с полярными неподвижными фазами.

Рассмотренные в этом разделе результаты определенно позволяют утверждать, что стеклянные и кварцевые капиллярные колонки с иммобилизованными силоксановыми полимерами могут быть с высокой воспроизводимостью приготовлены в любой химико-аналитической лаборатории.

ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИПО ПРИГОТОВЛЕНИЮ СТЕКЛЯННЫХ

И КВАРЦЕВЫХ КАПИЛЛЯРНЫХ КОЛОНОК

Данные, рассмотренные в предыдущих разделах, показывают весьма широкое разнообразие приемов и методов приготовления высокоэффективных стеклянных и кварцевых капиллярных колонок. Тем не менее среди многообразных подходов к этой проблеме оказывается возможным выявить наиболее доступную и воспроизводимую технику. Изложенные выше данные позволили сформулировать достаточно четкие рекомендации по технике приготовления в лабораторных условиях стеклянных капиллярных колонок, обладающих высокой эффективностью, максимальной адсорбционной инертностью и хорошей стабильностью, обеспечивающей достаточно длительный срок службы. Такие рекомендации, предложенные группой признанных специалистов в области капиллярной хроматографии [253], кратко изложены ниже. Хотя эти рекомендации были сформулированы применительно к процессу приготовления стеклянных капиллярных колонок, они в значительной степени применимы и к кварцевым капиллярным колонкам.

Выбор материала для изготовления колонок. Для изготовления стеклянных капиллярных колонок хорошего качества наиболее целесообразно применять высококремнеземистые тугоплавкие стекла, например, такие как Duran 50 фирмы Schott-Ruhrglas (Германия). В России для этой цели широко используют стеклянные трубки из стекла Пирекс. В то же время в литературе имеются достаточно многочисленные сообщения об использовании для этой цели мягких известково-натри- евых и более высокоплавких боросиликатных стекол.

Перед вытягиванием капилляров рекомендуется проводить механическую очистку стеклянных заготовок без применения промывок или каких-либо способов химической обработки.

Травление. Колонку заполняют 20%-ной хлороводородной кислотой, которую продолжают пропускать под давлением сжатого инертного газа и после заполнения до тех пор, пока на выходе колонки не соберется кислоты примерно 20-30% от ее полного объема. Отмечают меткой примерно 7% длины колонки от ее входного конца (4% при использовании мягких известково-натриевых стекол). Когда задний мениск жидкостной пробки достигнет этой метки, отсоединяют колонку от источника сжатого газа, присоединяют ее к вакуум- насосу и затягивают жидкостную пробку кислоты обратно так,

чтобы жидкость заполнила 10-15% пустого начального отрезка колонки. Отсоединяют вакуум и запаивают входной конец колонки в пламени газовой горелки. Затем запаивают и выходной конец и выдерживают колонку 12-16 часов при 170°С. При использовании мягких стекол достаточна температура 140°С. Колонка при этом не должна касаться нагретых частей термостата.

В большом числе экспериментов показано, что качество подвергнутых травлению стеклянных капилляров практически не зависит от их длины. Поэтому можно подвергать этой процедуре капилляры практически любой длины. Подвергнутые травлению заполненные хлороводородной кислотой и запаянные капилляры можно хранить без ущерба для их качества в течение довольно длительного времени.

Промывка. Отрезают возможно более короткие кончики от подвергнутого травлению и заполненного хлороводородной кислотой капилляра и вытесняют заполняющую его кислоту ее 1%-ным раствором, пропуская через капилляр один-два его объема со скоростью не более 2 см/сек. При упрощенном способе дальнейшей обработки после промывки 1%-ной кислотой через капилляр пропускают ацетон в количестве, равном половине объема обрабатываемого капилляра. Однако такой способ обработки не рекомендуется применять при использовании капилляров из мягких стекол.

Дегидратация. Колонку после промывки (не высушивая) помещают в термостат, нагретый до 300°С на 2 часа при длине колонки 15-20 м или на 3 часа при ее длине 30-50 м. Поочередно присоединяют к вакууму каждый из концов колонки с интервалом в 10-20 мин. Можно несколько упростить эту процедуру, нагревая колонку в термостате при непрерывной продувке через нее инертного газа со скоростью, равной примерно 20% скорости газа-носителя при нормальной эксплуатации колонки (около 0,5 мл/мин).

В то время, как протравленные и заполненные хлороводородной кислотой капилляры с запаянными концами могут храниться достаточно долгое время, открытые и промытые колонки должны быть подвергнуты операции дегидратации их поверхности сразу после промывки.

Исчерпывающее силилирование. Наиболее подходящим реагентом для силанизации поверхности стеклянных капилляров является дифенилтетраметилдисилазан (фирма Флука, Швейцария). Этот реактив можно использовать в чистом виде, однако для экономии времени рекомендуется применять его раствор в пентане (1:1 по объему).

В колонку засасывают пробку жидкости примерно на 0,1 часть ее длины. Давлением сухого инертного газа эту жидкостную пробку продавливают через колонку со скоростью 0,5 см/сек для чистого реагента или 2 см/сек для его раствора в пентане. Когда жидкость пройдет всю длину колонки и покинет ее, то при использовании чистого реагента немедленно запаивают оба конца колонки, а если применяют пентановый раствор, то увеличивают давление инертного газа в два-четыре раза и одновременно присоединяют выходной конец колонки к вакууму. После такой продувки (2 мин для капилляров длиной 20 м и 10 мин при длине капилляра 50 м) отсоединяют вакуум и запаивают оба конца колонки, заполненной инертным газом. Затем помещают колонку в термостат, нагревают до 150°С и далее продолжают нагревать со скоростью 2 град/мин до 400° С, после чего выдерживают при этой температуре 12-15 часов. Затем отключают нагрев и медленно охлаждают колонку в закрытом термостате. По охлаждении отрезают кончики колонки и промывают ее последовательно толуолом, метанолом и диэтиловым эфиром (порциями по 30-50% от полного объема колонки).

Нанесение неподвижной фазы. Готовят свежий раствор полисилоксановой неподвижной фазы (SE-54 или иного неполярного полисилоксана) с концентрацией 0,02-4%. Концентрацию раствора выбирают, исходя из желаемой толщины пленки неподвижной фазы, которую можно рассчитать по формуле

3 = 2,5^С, (5-2) где 8 - толщина пленки, мкм; difi - внутренний диаметр капилляра, мм; С - концентрация неподвижной фазы в растворе, %.

После растворения неподвижной фазы в раствор добавляют дикумилоксид. Концентрация перекиси в растворе, выраженная как процентная доля от растворенной неподвижной фазы, должна составлять:

для SE-54 0,4%

для SE-30 и OV-1 0,6%для SE-52 и OV-73 1,0%

Так, для того чтобы приготовить 10 мл 0,5%-ного раствора полисилоксана SE-54 в пентане, содержащего 0,4% дикумиллеро- ксида от количества неподвижной фазы, необходимо добавить в этот пентановый раствор неподвижной фазы 10 мкл 2%-ного раствора перекиси в толуоле. Далее нанесение неподвижной фазы статическим способом проводят как описано в работе [254].

Иммобилизация неподвижной фазы. Подготовленную колонку устанавливают в хроматограф, не присое-

диняя ее выходной конец к детектору. Устанавливают скорость потока газа-носителя через колонку примерно вдвое большую, чем при обычных газохроматографических анализах. Колонку выдерживают примерно 3 мин при 40-50°С, отсоединяют и немедленно запаивают оба конца в пламени газовой горелки. После этого колонку выдерживают 1 час при 160°С и 1 час при 180 °C. По охлаждении колонки отрезают запаянные кончики и промывают колонку хлористым метиленом для удаления побочных продуктов, образующихся при проведении реакции иммобилизации. При малой и средней толщине пленки неподвижной фазы через колонку пропускают два колоночных объема растворителя, а при пленках большей толщины - до пяти объемов.

Чтобы определить степень иммобилизации, колонку кондиционируют при 200°С в течение 1 часа и проводят ее испытание путем регистрации хроматограммы тестовой смеси (см. ниже) [255, 256]. Затем колонку промывают хлористым метиленом и вновь проводят ее испытание, чтобы определить степень уменьшения толщины пленки неподвижной фазы. Можно провести такую промывку и после некоторого начального периода эксплуатации новой колонки.

Кондиционирование. Основой для первичной оценки вновь приготовленной колонки служит “первичное испытание”, проводимое после ее кратковременного кондиционирования при 200-220°€. Затем для более полной оценки качества этой колонки ее нагревают в течение ночи (12-15 часов) при 250°С, после чего вновь снимают хроматограммы тестовых смесей. Правильно приготовленная колонка после такой обработки не должна показывать признаков какой-либо деградации, кроме некоторого изменения кислотности. В том случае, если колонку не предполагают использовать при температурах выше 25О°С, то ее приготовление на этом заканчивается. Если же колонка предназначена для проведения высокотемпературных анализов, то ее дополнительно прогревают при 300°С в течение ночи (12-15 часов). Если при повторном испытании колонки наблюдается незначительная адсорбция спиртов, то это не обязательно свидетельствует о деградации неподвижной фазы. Инертные колонки с иммобилизованной неподвижной фазой обычно восстанавливают свои качества через некоторое время после воздействия высокой температуры. Проверки качества колонки при ее дальнейшей эксплуатации могут показать, что ее первоначальные характеристики в процессе работы восстановились. При этом для периодической очистки колонок с иммобилизованными неподвижными фазами более предпочтительно применять промывку подходящим растворителем

(чаще всего хлористым метиленом), нежели использовать кондиционирование при высоких температурах.

Изложенные выше рекомендации, хотя и относятся, в основном, к процессу приготовления стеклянных капиллярных колонок с неполярными полисил оксановы ми неподвижными фазами, могут быть с определенными ограничениями распространены и на процессы приготовления кварцевых капиллярных колонок. Однако для них в литературе не опубликовано столь же детального и исчерпывающего описания техники их приготовления, что легко объяснимо соображениями сохранения коммерческой тайны фирм-производителей кварцевых колонок.

ИСПЫТАНИЕ ГОТОВЫХ КАПИЛЛЯРНЫХ КОЛОНОКИ ОЦЕНКА ИХ КАЧЕСТВА

Качество приготовленных капиллярных колонок оценивают прежде всего по величине их эффективности, выраженной числом теоретических тарелок. Более показательным параметром для характеристики эффективности капиллярных колонок является число эффективных теоретических тарелок (фактор разделения Пёрнелла). Весьма показательной характеристикой является также величина эффективного числа пиков (ЭЧП), показывающая, по-существу, степень разделения двух последовательных членов того или иного гомологического ряда (чаще всего ряда нормальных алифатических углеводородов). Все эти величины достаточно подробно разобраны в предшествующих главах.

Обобщенной характеристикой любой, в том числе капиллярной колонки может служить и величина введенного Голеем удельного показателя эффективности Р/, рассчитываемого по уравнениям (3-97) или (3-98). Однако все эти численные параметры лишь в малой степени характеризуют пригодность данной конкретной колонки для разделения той или иной группы веществ, имеющей в своем составе более или менее полярные компоненты. Наличие остаточной адсорбционной активности, приводящее к нарушению симметрии пиков, искажения начальной хроматографической зоны при вводе проб большого объема - такие факторы могут в существенной степени исказить получаемые хроматограммы и затруднить получение объективной и достоверной информации о качественном и количественном составе анализируемых смесей веществ.

Удельную эффективность приготовленных колонок, оцениваемую как число теоретических тарелок на 1 м их длины, пред-

ложено рассматривать как критерий качества нанесения слоя неподвижной фазы. При этом Эттре [256, 257] предложил рассчитывать максимально достижимую эффективность капиллярной колонки по формуле, выведенной Голеем (см. гл. 3),

#min = Г0#min = Г01 + 6^+il^3(1 +Л)21 + 6^+il^3(1 +Л)2(5-3)(5-3)

#min = Г0

#min = Г0

1 + 6^+il^3(1 +Л)2

1 + 6^+il^3(1 +Л)2

(5-3)

(5-3)

в которую входит только радиус капилляра и отношение распределения вещества, используемого для проверки качества колонки. При этом рекомендуется применять для этой цели вещества, для которых к > 4-5.

Из формулы (5-3) видно, что величина теоретически рассчитанной минимальной высоты, эквивалентной теоретической тарелке, прямо связана с радиусом применяемого капилляра и в сильной степени зависит от отношения распределения к. При к = О величина минимальной высоты, эквивалентной теоретической тарелке, 77mjn(lheorl равна О,58го, а при к -э » эта величина увеличивается до 1,91 г0, то есть в 3,3 раза. С другой стороны в практически значимых пределах изменения к от 5 до 10 величина 7fmin<(he<ir.) изменяется от 1,68г0 до 1,79г0, то есть всего на 6,5%. Величина jVmitlllheorl относится, конечно, к идеальной капиллярной колонке со строго постоянным диаметром по всей длине и с внутренней поверхностью, покрытой абсолютно однородной пленкой неподвижной фазы. При этом предполагается, что эффективность такой колонки измерена при скорости подвижной фазы, равной или, по крайней мере, близкой к оптимальной для данной колонки (то есть отвечающей минимуму на кривой Ван-Деемтера), На практике эти условия, конечно, не выполняются в полной мере: диаметр колонки может быть непостоянным по ее длине, пленка неподвижной фазы может быть далека от идеально равномерного слоя (особенно в колонках с сильной шероховатостью стенок или с нанесенным на стенки пористым слоем), а скорость подвижной фазы может быть выше или ниже оптимальной, по крайней мере на некоторых участках колонки.

Отношение наблюдаемой эффективности к максимально возможной для данной колонки, рассчитанной по формуле (5-3), предложено называть “эффективностью нанесения неподвижной фазы”. В большинстве случаев эта величина оказывается равной 0,6-0,9. Теоретическое рассмотрение этой величины ранее проведено Гиддингсом [258].

Термин “эффективность нанесения неподвижной фазы” (coating efficiency), определяемой как отношение минимальной, рассчитанной теоретически высоты, эквивалентной теоретиче-

ской тарелке, к реально измеренной величине, подвергался критике как определенный недостаточно строго [259]. Было предложено заменить его термином “степень использования теоретической эффективности” (utilization of theoretical efficiency), математически выражающейся таким же соотношением:

UTE = ^t111™^ 100% (5.4)

л measured

Анализ двух терминов, проведенный Эттре [260], убедительно показал равнозначность этих двух определений, из которых, по нашему мнению, первый термин выигрывает своей краткостью и благозвучием. Непосредственное определение удельной поверхности и коэффициента шероховатости стеклянных капилляров было проведено Суприновичем и соавт, [261] с использованием прямых измерений термодесорбции азота с помощью микрокатарометра. Давая объективную информацию об адсорбционной активности поверхности стеклянных капилляров, использованный в работе [261] метод, к сожалению, не в полной мере применим для изучения капилляров малого диаметра (менее 0,2 мм) вследствие относительно низкой чувствительности применяемого детектора.

Методика испытаний кварцевых капиллярных колонок на наличие остаточной адсорбционной активности и на унос неподвижной фазы при рабочей температуре описана в работе [262].

Вопросы оценки качества капиллярных колонок изучались также в работах [263, 264], В последней работе утверждается, что для полной оценки качества стеклянных капиллярных колонок необходимо учитывать результаты пяти контрольных опытов, проведенных в изотермических условиях и с программированием температуры и имеющих целью определение констант Мак-Рейнольдса и оценку влияния адсорбционных эффектов и льюисовских кислотных центров на поверхности капилляров.

В работах Кайзера [265-268] даны обобщенные параметры оценки качества капиллярных колонок, а именно, понятие “мощности разделения”, определяемое как отношение суммы эффективных чисел пиков в интервале индексов удерживания от 100 до 1000 к исправленному времени удерживания последнего пика хроматограммы, По-существу, эта величина показывает, сколько пиков может быть разделено с помощью данной колонки за единицу времени.

Предложенная в этих работах система оценки качества хроматографических колонок и всей хроматографической системы в целом, названная авторами “концепция АВТ”, была подвергну-

та серьезной критике [269] и в настоящее время широкого распространения не получила.

Более употребительным оказалось использование тестовых смесей веществ, подобранных таким образом, чтобы результаты их хроматографического разделения характеризовали бы общую эффективность колонки и наличие кислотных или основных адсорбционных центров на поверхности применяемого капилляра. Такая смесь [270] содержала этанол, метилэтил кетон, циклогексан и бензол. Позже для этой цели было предложено использовать и другие смеси различных соединений. Наибольшее распространение в настоящее время приобрела “смесь для оценки полярности’’ (polarity mixture), содержащая нормальные углеводороды С9-С12 или Св-С16, ароматический углеводород нафталин, первичный алифатический спирт октанол-1, кетон (нона- нон-5) и два соединения с кислотными и основными свойствами - 2,6-диметилфенол и 2,6-диметиланилин. Показательный пример использования такой смеси описан в работе [271]. Форма пиков и эффективность колонки, рассчитанные по пикам последних двух соединений, позволяют достаточно объективно оценить пригодность данной колонки для разделения и анализа той или иной группы соединений.

Достаточно подробное обсуждение вопроса об оценке качества стеклянных капиллярных колонок и составе применяемых для этой цели тестовых смесей проведено в работах [272-274]. В последней работе были испытаны капиллярные колонки с пористыми слоями и разными неподвижными фазами. В числе других материалов были испытаны Силанокс, Хромосорб, Перлит, По- рапак и Карбопак А - адсорбент на основе модифицированной графитированной сажи. Применение этого адсорбента позволяет получить высокоэффективные капиллярные колонки, пригодные для анализа термически неустойчивых соединений, в частности, терпеновых углеводородов и их кислородсодержащих производных.

Янг, Браун и Крам описали применение электронно-вычислительных машин при расчетах параметров, характеризующих качество капиллярных колонок [275].

Процессы приготовления стеклянных и кварцевых капиллярных колонок, имеющих высокую эффективность, малую адсорбционную активность и хорошую стабильность, являются предметом многочисленных оригинальных статей и обзоров. Кроме публикаций, перечисленных в предшествующих разделах, можно указать работы Эйнига и Макдоналда [276] и Сандра и Верцеле [277], посвященные вопросам приготовления стеклянных капиллярных колонок для серийных анализов.

Вопросы оптимизации рабочих параметров таких колонок рассмотрены в статье Ябумото и Ван-ден-Ойвела [278]. Паркер и Маршалл описали технику нанесения неподвижной фазы, обеспечивающую эффективность колонок при разделении углеводородов С6-С)2 до 2800 т.т./м.

Влияние толщины пленки неподвижной фазы на величину индексов удерживания веществ различных классов (спиртов, альдегидов, этиловых эфиров кислот и др.) в капиллярных колонках с полиэтиленгликолем карбовакс 20М изучено в работе [280]. Аналогичные систематические исследования с очень большим числом алифатических и ароматических соединений описано в многочисленных статьях Хакена и Корхонена, из обширных серий которых здесь указаны лишь по три последние работы [281-286].

Процессы изготовления и оценки качества стеклянных и кварцевых капиллярных колонок и влияния различных факторов на их эффективность подробно рассмотрены в ряде обзоров. При этом отмечается, что широкое внедрение таких колонок в практику газохроматографического анализа представляет собой качественно новый этап в развитии химико-аналитической техники [287-289].

Подробный обзор Ли и Райта, охватывающий все аспекты приготовления стеклянных капиллярных колонок, содержит критический анализ 359-ти литературных источников [290]. При обсуждении проблемы воспроизводимости процессов изготовления стеклянных и кварцевых капиллярных колонок Хутерман и Бал сопоставили результаты, полученные для 700 капиллярных колонок длиной 25 и 50 м с внутренним диаметром 0,25 и 0,5 мм с полисилоксаном CP-SH5 в качестве неподвижной фазы [291]. Материалы для изготовления колонок, способы вытягивания капилляров, способы нанесения неподвижной фазы и методы кондиционирования готовых колонок разобраны в обзоре Александера [292]. В обзоре Берту рассмотрено более 50-ти различных способов обработки поверхности стеклянных капилляров и нанесения неподвижных фаз, предложенных и апробированных до 1981 г.

Связь между свойствами исходной и подвергнутой различной обработке поверхности стекла, ее способности удерживать пленку неподвижной фазы и характером удерживания различных веществ была исследована Шомбургом и сотр. [294]. Было показано, что в капиллярных колонках с полисилоксановой неподвижной фазой (например, SE-ЗО) при высоких температурах 240-370°С возможно термическое разложение даже весьма устойчивых соединений. Так, например, триолеин разлагается с об-

разеванием олеиновой кислоты, диолеина и других продуктов. Аналогично ведут себя и другие триглицериды [295].

При изучении термической устойчивости стеклянных и кварцевых капиллярных колонок с полиэтиленгликолями различной молекулярной массы было показано, что стабильность таких колонок зависит не столько от длины полимерной цепи, сколько от присутствия примесей кислотного характера в самой неподвижной фазе и кислотных центров на поверхности капилляров. При тщательной очистке полиэтиленгликоля и хорошей подготовке стенок капилляра колонки с полиэтиленгликолем Карбовакс 40М могут в течение долгого времени устойчиво работать при температурах до 260°С [296].

Интересным с точки зрения оценки качества капиллярных колонок представляется предложенный и осуществленный в работе [297] способ прямого визуального наблюдения за развитием и движением хроматографической зоны при использовании светящегося в УФ-свете летучего сорбата, хроматографируемого в стеклянной колонке. Авторам этой работы даже удалось снять цветной кинофильм, ясно показывающий процесс формирования начальной хроматографической зоны в испарителе и на начальном участке колонки и ее дальнейшее развитие в процессе продвижения по колонке далее.

В том случае, когда в результате длительной эксплуатации капиллярная колонка теряет свою эффективность, ее “время жизни” может быть продлено путем повторного нанесения неподвижной фазы. При хроматографическом разделении метиловых эфиров жирных кислот на колонке с неподвижной фазой Силар 10СР повторное нанесение неподвижной фазы после длительной эксплуатации колонки позволило полностью восстановить первоначальный уровень ее эффективности [298].

В заключение данного раздела следует заметить, что в настоящее время разработаны достаточно рациональные и хорошо воспроизводимые приемы приготовления стеклянных и кварцевых капиллярных колонок и методы объективной оценки их качества. Это позволяет рассматривать такой способ достижения высокой эффективности хроматографического разделения как вполне сложившееся методическое направление, обеспечивающее успешное решение наиболее трудных аналитических задач, сопряженных с необходимостью разделения близких по свойствам изомеров, изотопно-замещенных соединений и даже оптических антиподов. Некоторые особенности газохроматографического метода, связанные с решением таких задач разделения, будут рассмотрены в последующих разделах данной книги.

ЛИТЕРАТУРА

Desty D.H. Ц Advances in chromatography / Ed. J.C. Giddings and R.A. Keller. N.Y.: Dekker, 1965. P. 199.

Flath R.L., Forrey R.R. // J. Agr. Food Chem. 1970. Vol. 18. P. 306.

Grob К. H J. Gas Chromatogr. 1965. Vol. 3. P. 52.

Grob K. // Beitr. Tabakforsch. 1965. Bd. 3. S. 243.

Grob К. H Helv. chim. acta. 1965. Vol. 48. P. 1362.

Freedman R.W, //J. Gas Chromatogr. 1968. Vol. 6. P. 495.

Ill о кина Л.И., Малиевский АД., Липкин Г.М. // Новости нефтяной и газовой техники. М.; Гос. НИИ науч.-техн. информ., 1966. С. 29. (Газовое дело; № 4).

Franken J.L, Vader HL, // Chromatographia. 1973. Vol. 6. P. 22.

Bendel E„ Fell V., Commichau A. et al. // J. Chromatogr. 1965. Vol. 19. P. 277.

Zeman L, Wiroiama i.P.G. // Ztschr anal. Chem. 1969. Bd. 247. S. 158.

Gram D.W. // Anal. Chem. 1964. Vol. 36. P. 1519.

Витт C.B., Сапоровская М.Б., Беликов B.M. // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1967. № 12. С. 2771.

Bayer Е„ Gil-Av Е„ Kenig W.A. et al. //J. Amer. Chem. Soc. 1970. Vol. 92. P. 1738.

Ryba M. H J- Chromatogr. 1976. Vol. 123. P. 317.

Kovals E. H Gas chromatography, 1966 / Ed. A.B. Littlewood. Amsterdam: Elsevier, 1967. P. 437.

Filbert A.M.. Hair ML JU. Gas Chromatogr. 1968. Vol. 6. P. 150.

Filbert A.M., Hair ML. H Void. P. 219.

Grob К. //Helv. chim. acta. 1968. Vol. 51. P. 718.

Bartie K.D., Bergstedt L., Novotnv M., Widmark G. H J. Chromatogr. 1969. Vol. 45. P. 256.

Novotny M„ Zlatkis A. // J. Chromatogr. Sci. 1970. Vol. 8. P. 346.

Tesarik K„ Novotny M. H Gas-Chromatographie, 1968 / Ed. H.-G. Struppe.

B.: Akad.-VerL, 1968. S. 575.

Purer A., Kaplan RL., Smith D.R. H J. Chromatogr. Sci. 1969. Vol. 7. P. 504.

Mohnke M.T Saffert tV. Ц Gas chromatography, 1962 / Ed. M. van Swaay. Wash. (D.C.); Butterworths, 1962. P. 216.

Bruner F.A., Cartoni G.P., Possanzini M. // Anal. Chem. 1969. Vol. 41, P. 1122.

Bruner F.A., Cartoni G.P. H Ibid. 1964. Vol. 36. P. 1522.

O’Conner DJ„ Buchanan A.S. И Trans. Faraday Soc. 1956. Vol 52. P. 397.

Fox H.W., Hare E.F., Zisman W.A. //J. Colloid Sci., 1953. Vol. 8. P. 194.

FoxH.W., Hare E.F., Zisman WA. //J. Phys. Chem. 1955, V. 59. P. 1097.

Litre L.S. Open tubular columns in gas chromatography. N.Y.: Plenum press, 1965,

Desty D.H..Haresnape LN., Whvman B.H.F. H Anal. Chem. 1960. Vol. 32. P. 302.

Kreyenbuhl A. //Bull. Soc. chim. France 1960. N 11-12, P. 2125.

Наг esnape J.N., Desty D.H., Whyman B.H.F. // J. Gas Chromatogr. 1967, Vol. 5. P. 20A.

3yTesafikK.,HanaK.Janicek HJ/Chem. listy, 1961. Sv. 55. S. 1467.

Verzeie M., Verstappe M., Sandra P. et al. H J. Chromatogr. Sci. 1972. Vol. 10. P. 668.

Hedly W.H., Oh R.G., Du Four H.R., Wersmer A.L. П Rev. Sci. Instrum. 1977. Vol. 48, N 1. P. 64-67.

Волков C.M., Горяев B.M„ Зеленков М.М. и др. А.с. 763780 СССР. Заявл. 04.08.78; Опубл. 19.09.80.

Saimo Н. Pat. 55-38 626. Jap. Appt. 16.12.72; Pubi. 06.10.80.

Ogan K.L., Reese C., Scon R.P.W. H J. Chromatogr. Sci. 1982. Vol. 20. P. 425.

Установка для изготовления стеклянных капиллярных колонок / Ин-т. нефтехим. синтеза им. В.А. Топчиева, АН СССР. М., 1974. (Проспект).

Установка для изготовления стеклянных капиллярных колонок / Ин-т. орган, химии им. Н.Д. Зелинского, АН СССР. М., 1980. (Проспект). А.с. 717090 СССР. Заявл. 27.12.78.

Desty D.H., Goldup A., Swanton W.T. // Gas chromatography / Ed. N. Brenner etal. N.Y.; L: Acad, press, 1962. P. 105.

Schuties C.P.M., Verner E.A., Rijks J.A., Craners C.A. H J. Chromatogr. 1982. Vol. 253, N l.P. 1-16.

Scott R.P.W. H Nature. 1960. Vol. 185. P. 312.

Dandeneau R.D., Zerenner E.H. // J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1979. Vol. 2. P. 351-356.

Dandeneau R.D., Bente P., Roony T„ Hiskes R. И Intern. Lab. 1979. Vol. 9, N 6. P. 69-78.

Lipsky S.R., McMurrey W.J., Hernandez M, el al. H J. Chromatogr. Sci. 1980. Vol. 18, N 1. P. 1-9.

Al. Lipsky S.R., McMurrey IVJ. // Advances of chromatography, 1981. Amsterdam: Elsevier, 1981. P. 195-201.

Saito H. //J. Chromatogr. 1982. Vol. 243, N 2. P. 189-206.

Henly R.S., Wwfl J.A., McKinley S.L., Ramachandran S. H Abstr. Papers Pittsburgh Conf. Anal. Chern, and Appl. Spectroscopy, Atlantic City, N. J. Pittsburgh, (Pa.), 1980. P. 207.

Hurt S.G., Baudean J.E., Purcell J.E. // Chromatogr. Newslett. 1980. N 2. P. 32-34.

Jennings W. HL High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1980. Vol. 3. N 12. P. 601-608.

Novotny M.V. H Science. 1989. Vol. 246, N 4926.

De Zeeuw J., De Nijs R.C.M., Hendrick LT. H J. Chromatogr. Sci. 1987. Vol. 25. P. 71.

Feenney MJ., Harland J J., Knitter J.A. I I Abstr. Pap. Pittsburgh Conf, Expos. Anal. Chern, and Appl. Spectroscopy, New York, 1990. N.Y., 1990. P. 156.

Halasi L H Gas chromatography / Ed. N. Brenner et al. N.Y.; L.: Acad, press. 1962. P. 560.

Onuska F.L, Afghan B.K., Wilkinson RJ. H J. Chromatogr. 1978. Vol. 158. P. 83-90.

Wright B.W., Lee ML., Graham S.IV. et al. // Ibid. 1980. Vol. 199. P. 355-369.

Schomburg G„ Husmann H., Behiau H. //Ibid. 1981. Vol. 203. P. 179-191.

Golovnya R.V., Samusenko AL. // Ibid. Vol. 217. P. 183-190.

EttreLS. //Meth. Phys. Anal. 1969. Vol. 5. P. 167.

Weiher R. Thesis / Kark-Marx-Univ. Leipzig, 1964.

Leibnitz IV., Mohnke M. //Chem. Technol. 1962. Vol. 14. P. 753.

Kiselev A.V. // Gas chromatography, 1962 / Ed. M. van Swaay. L.: Butterworths, 1962. P. 3.

Novotny M„ Zlatkis A. //Chromatogr. Rev. 1971. Vol. 14. P. 1.

Novotny M., Tesarik K. // Chromatographia. 1968. Vol. 1. P. 332.

SchiekeJ.D., Comins N.R., Pretorius V. // Ibid. 1975. Vol. 8. P. 354.

Pretorius V., Desty D.H. H J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1981. Vol. 4, N 1. P. 38-39.

Schomburg G., Husmann H„ Weeke F. // Chromatographia. 1977. Vol. 10. P. 580-587.

Lipsky S.R., McMurray WJ. H J. Chromatogr. 1981. Vol. 217. P. 3- 17.

Колмановский В.И., Киселев А.В..Лебедев В.Р. и др. // Жури. физ. химии. 1962. Т. 35. С. 1386.

Kiselev A.V., Shcherbakowa K.D. И Gas-Chromatographie, 1961 / Ed. М. Schroter, К. Metzner. В.: Akad.-Verl., 1962. S. 207.

Бабкин И.Ю., Киселев А.В. И Докл. АН СССР. 1962. Т. 129. С. 357.

Киселев А,В., Яшин Я.И. Адсорбционная газовая и жидкостная хроматография. М.: Химия, 1979.

Riedo F„ Czencz М„ Liardou О., Kovats Е. // Helv. chim. acta. 1978. Vol. 61. P. 1912.

Grob K., Grob G.,Grob K„ Jr. //3. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1979. Vol. 2. P. 31.

Lee ML., Wright B.W.// J. Chromatogr. 1980. Vol. 184. P. 235.

Blackman L.S.F., Harrop R. // J. Appl. Chem. 1968. Vol. 18. P. 37.

Novotny M., Bartie K.D. // Chromatographia. 1970. Vol. 3. P. 272.

Сидоров A.H. И Журн. физ. химии. 1956. T. 30. С. 995.

Folman М., Yates DJ.G. // Proc. Roy. Soc. London, A. 1958. Vol. 246. P. 32.

Lowen W.K., Broge E.C. H J. Phys. Chem. 1956. Vol. 30. P. 995.

Ballard S.S., Broge E.C., Her R.K. et al. // Ibid. 1961. Vol. 65. P. 20.

Wartmann J., Deuel H. // Chimia. 1958. Vol. 12. P. 455.

lVe/55 A., ReiffS., Weiss А. Ц Ztschr. anorg. und allg. Chem. 1961. Bd. 311. S. 151.

Grob K., Grob G. // 3, High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1980. Vol. 3, N4. P. 197.

Grob К. И Ibid. N 10. P. 493-497.

Godefroot M„ Van Relenbosch M., Verstappe M. et al. H Ibid. N 7. P. 493-497.

Schutjes C.P.M., Vermeer E.A., Cramers C.A. H J. Chromatogr. 1983. Vol. 279. P. 49-57.

Traitler Д„ Prevo Л. // J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1981. Vol. 4. P. 433^36,

Schomburg G„ Husman H„ Behlau H. H Chromatographia. 1980. Vol. 13, N 6. P. 321-333.

Blomberg L„ Buijten E. Markides K., Wannman T. H J. Chromatogr. 1983. Vol. 279. P. 9-20.

Welsch Th., EngewaldW., Klaucke Ch. Ц Chromatographva. 1977. Vol. 10, N 1. P. 22-24.

Maskarines M.P., Olerich G. H Anal. Chem. 1980. Vol. 52, N 3. P. 588-591.

Blomberg L„ Markides K„ Wannman T. H J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1980. Vol. 3, N 10. P. 527-528.

McKeay R.G., Hougen F.W. H J. Chromatogr. 1977. Vol. 136, N 2. P. 308-310.

MacKenzie S.L.,Hogge L.R. // Ibid. 1978. Vol. 147. P. 388-394.

Madani C., Chambaz E.M., Rigaud M. et al. H Chromatographia. 1977. Vol. 10, N 8. P. 466-472.

Madani C„ Chambaz E.M. H Ibid. 1978. Vol. 11, N 12. P. 725-730.

Grob K., Grob G. // J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun.

1980. Vol. 3, N4. P. 197-198.

Grob К. Ц Ibid. N 10. P. 493-496.

Badings H.T., WassinkJ.G. //Ibid. N 1. P. 21-22.

Schomburg G., Husmann H„ Borwisky H. // Chromatographia. 1979.

Vol. 12, N UP. 651.

Aue W.A., Hastings C.R., Kapila S. // J. Chromatogr. 1973. Vol. 77. P. 299.

Cronin D.A. Ц Ibid. 1974. Vol. 97. P. 263.

Bromberg L., Wannman T. // Ibid. 1978. Vol. 148, N 2. P. 379-387.

De Nijs R.C.M., Franken J.J., Dooper R.P.M. et al. H Ibid. Vol. 167. P. 231-241.

Dandeneau R., Bente P„ Rooney P., Hiskes R. Ц Amer. Lab. 1979. Vol. 11, N 9. P. 61-69.

Frauen J J.. De Nijs R.C.M., Schuking F.L. II J. Chromatogr. 1977. Vol. 144, N 2. P. 253-256.

Lipsky S.R., McMurray WJ. Ц Ibid. 1983. Vol. 279. P. 59-68.

Lipsky S.R., McMurray WJ. H Ibid. 1982. Vol. 239. P. 61-69.

Arrendale R.F., Severson R.F., Chortyk ОТ. H Ibid. 1981. Vol. 208, N 2. P. 209-216.

Marcelin G., Traynor S.G., Goins W„ Hirschy L.M. Ц Ibid. 1980. Vol. 187, NLP. 57-64.

Novotny M„ Grohnamm К. Ц Ibid. 1973. Vol. 84, N I, P. 167-170.

Neu HJ.Reeg FJ. //J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun.

1980. Vol. 3, N 11. P. 537-544.

Parwell S.O., Gluck SJ. H Anal. Chem. 1980. Vol. 52, N 12. P. 1968-1971.

Tanner D.W., Pope D., Potter C„ West D. Il J. Appl. Chem. 1964. Vol. 14. P. 361.

Emmons H. //Trans. Amer. Inst. Chem. Eng. 1939. Vol. 35. P. 109.

Metcalfe L.D.. Martin RJ. Ц Anal. Chem. 1967. Vol. 39. P. 1201.

Mon T.R., Forrey R.R., Teranishi R. // J. Gas Chromatogr. 1967. Vol. 5. P. 407.

Хромченко ЯЛ., Руденко Б.А. И Журн. аналит. химии. 1981. Т. 36, № 10. С. 2006-2012.

Березкин ВТ., Колбановский Ю.А., К наймов Е.А., Пахомов В.П, И Изв. АН СССР. Сер. хим. 1967. № 7. С. 1424.

Abel E.W., Pollard F.H., Uden Р.С., Nickless G. // J. Chromatogr. 1966. Vol. 22. P. 23.

Groenendijk H.. Van Kemenade A.W.C. // Chromatographia. 1969. Vol. 2. P. 107.

Kirkland J. J., Di Stefano J.J. Hi. Chromatogr. Sci. 1970. Vol. 8. P. 309.

Liberty A. // Gas chromatography, 1966 / Ed. A.B. Littlewood. Amsterdam: Elsevier, 1967. P. 95.

Grob K.HWiA. P. 113.

Pretorius V„ du Toil J.W., Purnell J.H. H J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1980. Vol. 3, N 6. P. 303-305.

Beckman R.A., Green C.R., Best F.W. // Anal. Chem. 1978. Vol. 50, N 11. P. 2157-2158.

Mistryukov E.A., Samusenko A.L., Golovnya R.V. // J. Chromatogr. 1979. Vol. 169. P. 391-396.

Dirkes W.E., Rubey W.A.. Pantano C.G. // J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1980. Vol. 3, N 6. P. 303-305.

Driessen 0., Lugtenberg J. I! Ibid. N 8. P. 405^410.

Stark TJ.. Dandeneau R.D. H Abstr. Pap. Pittsburgh Conf. Anal. Chem. and Appl. Spectroscopy, Atlantic City, N.J., 1980. Pittsburgh, (Pa.), 1980. P. 2.

Lee M.L., Peaden P.A. // Ibid. P. 3.

Grob K.Jr.Hi. Chromatogr. 1981. Vol. 208, N 2, P. 217-229.

Schomburg G„ Husman H. Pat. 2517375, ERG. Appl. 19.04.75; Publ. 28.10.76.

Schomburg G., Husmann H. // Chromatographia. 1975. Vol. 8. P. 517.

Schomburg G. H 29th Pittsburg Conf. State Art Anal. Chem., Applied Spectroscopy, Cleveland, Ohio, 1978: Abstracts. Monroeville, 1978.

Alexander G„ Lipsky S.R. H Chromatographia. 1977. Vol. 10, N 10. P. 487—491.

Blomberg L. Hi. Chromatogr. 1977. Vol. 138, N 1. P. 7-16.

Hdlasz L, Horvath С. H Anal. Chem. 1963. Vol. 35. P. 499.

BoucheJ., Verzele M. H J- Gas Chromatogr, 1968. Vol. 6. P. 501.

llkova E.L., Mistryukov E.A. J. Chromatogr. Sci. 1971. Vol. 9. P. 569.

llkova E.L., Mistryukov E.A. Hi. Chromatogr. 1971. Vol. 54. P. 422.

llkova E.L., Mistryukov E.A. H Chromatographia. 1971. Vol. 4. P. 77.

Jennings W.G., Yabumoto K„ Wohleb R.N. //J. Chromatogr. Sci. 1974, Vol. 12. P. 344,

Volkov S.M., Gorvaev V.M.,Anikevev V.L, Khripach V.A. Hl. Chromatogr. 1980. Vol. 190, N 2. P. 445-447.'

Grob K., Grob G. H i. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1982. Vol. 5, N 3. P. 119-123.

SandraP., Verzele M. Ц Chromatographia. 1978. Vol. 11.N2.P. 102-103.

Thompson J.C.. Schaultz N.G. // J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1980. Vol. 3, N 2. P. 91.

Schafers F.L, Herrmann К. //Ibid. 1981. Vol. 4, N 4. P. 183.

В try ten J., Blomberg L„ Markides K., Wdnnman T. И J. Chromatogr. 1982.

Vol. 237, N 3. P. 465.

Grob K„ Grob G„ Grob K„ Jr. // J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1979. Vol. 2. P. 677.

Blomberg L., Bujien J., Gawdzik J., Wdnnman T. // Chromatographia. 1978. Vol. 1I.N9. P. 521-525.

Czajkowska T. // J. Chromatogr. 1982. Vol. 243, N 1. P. 35-42.

Grob K„ Grob G., Grob K„ Jr. // J. Chromatographia. 1977. Vol. 10. P. 161.

Arrendale R.F., Severson R.F., Chortyk O.T. // J. Chromatogr. 1981. Vol. 208. P. 209.

Goodwin B.L. // Ibid. 1979. Vol. 172. P. 31-36.

Golay MJ. // Anal. Chern. 1968. Vol. 40. P. 382.

Mohnke M„ Saffert IV. И Kernenergie. 1962. Vol. 5. P. 434.

Leipnitz IV., Mohnke M. // Chern. Technol. 1962. Vol. 14. P. 753.

Struppe H.-G. U Handbuch der Gas-Chromatographie / Ed. E. Leibhitz, H.-G. Struppe. Leipzig: Akad.-VerL, 1966. S. 329.

Васильева B.C., Зубарев А.Ф., Киселев В.А. и др. //Газовая хроматография. М.: ВНИИТЭХИМ, 1969. Вып. 9. С. 104.

Krupbik J., Kristin М., Valachovidova М., Janiga S. Н J. Chromatogr. 1976. Vol. 126. P. 147-160.

Kaeser KJ. Uber die Entwicklung von Glasskaai Haren und die Analytik von Geruchschtoffen Diss. Dokt. Naturwiss. Techn. Univ. Miinchen, 1979. 160 s.

Alexander G„ Rutten G.A.F.M. // Chromatographia. 1973. Vol. 6. P. 231.

Alexander G., Rutten G.A.F.M. // J. Chromatogr. 1974. Vol. 95. P. 229; Vol. 99. P. 81.

Franken J J., Rutten G.A.F.M., RijksJ.A.S. // Ibid. 1976. Vol. 126. P. 117.

Badings H.T., Van der Pol JJ.G., Schmidt D.G. //Chromatographia. 1977.

Vol. 10, N8. P. 404-411.

Watanabe T. Pat 52-36034, Jap. Appl. 19.1273; Publ. 13.09.77.

Tomita H..Sato K„ Watanabe С. H J. Nat. Chern. Lab. Ind. 1979. Vol. 74, N 9. P. 349-355. (Jap., Engl. Summary).

Sandra P., Verstappe M„ Verzele M. // Chromatographia. 1978. Vol. 11, N 4. P. 223-226.

Schieke J.D., Comins N.R., Pretorius V. ЦТ Chromatogr. 1975. Vol. 112. P. 97.

Schieke J.D., Comins N.R., Pretorius V. // Ibid. Vol. 115. P. 373.

Schieke J.D., Comins N.R., Pretorius V. //Chromatographia. 1975. Vol. 8, N 7. P. 354.

Schieke J.D., Comins N.R., Pretorius V. // J. Chromatogr., 1975. Vol. 114. P. 190-192.

Schieke J.D., Pretorius V. // Ibid. 1977. Vol. 132, N 2. P. 217-222.

Schieke J D., Pretorius V. //Ibid. P. 223-230.

Schieke J.D., Pretorius V. // Ibid. P. 231-236.

Те sank K., Komarek., HlaviCkova H„ Churacek J. // Chem. listy, 1980. Sv, 74, N 3. S. 297-307.

Tesarik K., Komarek., HlaviCkova H., Churacek J. // Ibid. 1981. Sv. 75, N 10. S. 1085-1090.

OnuSka F.L. Comba M.E. // J. Chromatogr. 1976. Vol. 126. P. 133.

OnuSka F.L, Comba M.E. // Chromatographia. 1977. Vol. 10, N 8. P. 498-503.

Blumer M. И Anal. Chem. 1973. Vol. 45. P. 980.

NikellyJ.G., Blumer M. Ц Amer. Lab. 1974. Vol. 6. P. 12.

German A.L., Horning E.C. // J. Chromatogr. Sci. 1973. Vol. 11. P. 76.

Bertsch IV., Shunbo F.S., Chang R.C., Zlatkis A. // Chromatographia. 1974.

Vol. 7. P. 128.

German A.L., Pfaffenberger C.D., ThenotJ.P. et al. // Anal. Chem. 1973. Vol. 45. P. 930.

Horning E.C., Horning M.G., SzafranekJ. et al. Ц J. Chromatogr. 1974.

Vol. 91. P. 367.

Pfaffenberger CD., Horning E.C. И Ibid. 1975. Vol. 112. P. 581.

Mathews R..Torres J., Schwartz R. Ц Ibid. 1979. Vol. 186. P. 183-188.

Mathews R,,Torres J., Schwartz R. H Ibid. 1980, Vol. 199. P. 97- 104.

Badings H.T., Van der Pol JJ.G., Wassink J.G. H Ibid. 1981. Vol. 203. P. 227-236.

Mathews R.G., Schwartz RD., Pfaffenberger CD. et al. H Ibid. 1974. Vol. 99. P. 5L

Nesvadba K„ Matena J„ Odstrcil L„ Slavik M. // Chem. Pram. 1966.

Vol. 16. P. 194.

NikellyJ.G. Ц Anal. Chem. 1972. Vol. 44. P. 623-625.

Ettre L.S., Purcell J.E. Ц Advances in Chromatography. N.Y.: Dekker, 1974. Vol. 10. P. I.

Chauhan J., Darbre A. // J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Common. 1981. Vol. 4. P. 11-16.

Chauhan J„ Darbre A. // J. Chromatogr. 1982. Vol. 236. P. 151- 156.

De HijsR.C.M., De ZeeuwJ. //Ibid. 1983. Vol. 279. P. 41-48.

Grob K„ Grob G. // Ibid. 1976. Vol. 125, N 3. P. 47 L

Grob K„ Grob G., Grob K„ Jr. Ц Chromatographia. 1977. Vol. 10, N 4. P, 181-187.

Grob K„ Grob G. // Wiss. Ztschr. Karl-Marx-Univ. Leipzig. Math.-naiur- wiss. R. 1977. Bd. 26, N 4. S. 379-386.

Grob K„ Grob G., Grob K„ Jr. Ц J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1978. Vol. 1, N 3. P. 149-155.

Grob K„ Grob G„ Grob K. Jr. И Void. 1979. Vol. 1, N 3. P. 31.

Grob K.. Grob G. H Ibid. Vol. 2. P. 527.

Grob К. H Ibid. P. 599.

Grob K.. Guenter J.R., Роптапп А. H J. Chromatogr. 1978. Vol. 147. P. 111-117.

Grob K.. Grob G. // Chimia. 1977. Vol. 31, N 5. P. 175-179.

Grob К., Grob G.. Grob K., Jr. // J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1979. Vol. 2. P. 672.

Pretorius V., Du Toit J.W., Davidtz J.C. // Ibid. 1981. Vol. 4, N 2. P. 79-80.

Arrendale R.F., Smith L.B., Rogers L.B. // Ibid. 1980. Vol. 3, N 3, P. 115-123.

Goretti G.: Liberti A., Nota G. // Gas chromatography, 1968 / Ed. G.L.A. Harbourn. L: Inst. Petrol., 1968. P. 30.

Goretti G., Liberti A., Ciardi M. // Essenze Diriv, Agrum. 1977. Vol. 47, N 3. P. 269-285.

Goretti G., Liberti A., Pili G. H J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1978. Vol. I, N 3. P. 143-148.

Grant D.W. // J, Gas Chromatogr. 1969. Vol. 6. P. 18.

Cronin D.A. H J. Chromatogr. 1970. Vol. 48. P. 406.

Thiecke RJ., Van den Berg L.H.M., Deelder R.S., Ramaeker J J ,M. // Ibid.

1978. Vol. 160, N 1. P. 264-270.

Руденко Б.А. Капиллярная хроматография. M.; Наука, 1978.

Pretorius V., Du Toit J.W., Purnell J.H. // J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1981. Vol. 4. P. 344-345.

Burrows R., Cooke M„ Gillespie D.G. H J. Chromatogr. 1983. Vol. 260, N 1. P. 168-172.

Grob К. H J- High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun.1980. Vol. 3. P. 493.

Groh К. H Ibid. P. 337.

Schomburg G., Dielmann R., Borwifzkr H.. Kussmann H. HI. Chromatogr. 1978. Vol. 167. P. 337-354.

Blomberg L., Wannman T. H JIbid. 1979. Vol. 168, N 1. P. 81-88.

Taylor P.J., Harris F.W. Pat. 4054432 US Appi. 11.06.76; Publ. 11.10.77.

Madani C., Chambaz E.M., Rigaud M. et al. // J. Chromatogr. 1976. Vol. 126, N3. P. 161-169.

Rigaud M., Chebroux P„ Durand J. et al. //Tetrahedron Lett. 1976, N 44. P. 3935-3938.

Madani C., Chambaz E.M. Ц Chromatographia. 1978. Vol. 11, N 12. P. 725-730.

Sandra P., Redant G., Schacht E„ Verzele M. H J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1981. Vol. 4. P. 411-412.

Waennman T. // Ibid. P. 578-579.

Grob K., Grob G. H J. Chromatogr. 1981. Vol. 213. P. 211-221.

Masada K, Hashimoto K„ Inoue T. et al. H Yakugaku Zasshi = J. Pharm. Soc. Jap. 1977. Vol. 97, N 5. P. 473-478.

OnuSka F.L, Comba M.E., Bistrick T„ Wilkinson R.J. Ц J. Chromatogr.

1977. Vol. 142. P. 117-125.

Grob К. Ц Chromatographia. 1977. Vol. 10, N 10. P. 625.

GrobK. //Chimia. 1977. Vol. 31, N 9. P. 336.

Wright B.W., Peaden P.A., Lee M.L., Stark T.J. H J. Chromatogr. 1982. Vol. 248. P. 17.

Blomberg L. Bujten J., Markides K., Wannman T. H Ibid. Vol. 239. P. 51.

Grob K., GrobG., Grob K.,Jr. //Ibid, 1981. Vol. 211, N 3. P. 243-246.

Grob K„ Grob G., Grob K., Jr. // J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1981. Vol. 4. P, 491.

Blomberg L„ Wannman Th. // J. Chromatogr. 1979. Vol. 186. P. 159-166.

Blomberg L„ Bujten J., Markides K„ Wannman Th. Ц Ibid. 1981. Vol. 208, N 2, P. 231-238.

Blomberg L., Markides K., Wannman Th. // Ibid. Vol. 203. P. 217-226.

Lee M.L., Peaden P.A., Wright B.W. И Pittsburgh Conf., Atlantic City, N.J., March 9, 1982: Abstracts. Pittsburgh (Pa.), 1982, N 298.

Blomberg L., Bullen L., Markides K„ Wannman T. //J. Chromatogr. 1982.

Vol. 239. P. 51,

Lipsky S.R.. McMurray W.J. H Ibid. P. 61.

Richter BE., Kuei J.C., Shelton J.L et al.//Ibid. 1983. Vol. 279. P. 21-30.

Spring st on S.R., Me Ida K„ Novotny M.V. Ц Ibid. Vol. 267. P. 395-398.

Wright B.W., Lee M.L., Graham S.IV. et al. // Ibid. 1980. Vol. 199. P. 355.

Welsch T, Engevald W., Klaucke С. H Chromatographia. 1977. Vol. 10. P. 22.

Bujten G., Blomberg L., Hojfmann S. et al. // J. Chromatogr. 1984. Vol. 283. P. 341-346.

Anon, Ц Ibid. 1987. Vol. 409. P. 251-258.

Grob K„ Grob G., Blum №.. Walther IV. // Ibid. 1982. Vol. 244. P. 197-208.

Grob K„ Grob G. I I J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1982. Vol. 5, N3. P. 119-123.

Grob K„ Grob G., Grob K„ Jr. // J. Chromatogr. 1981. Vol. 219. P. 13.

Averill W. // Progress in industrial gas chromatography, N.Y.: Plenum press, 1961. Vol. 1. P. 225-230.

Ettre L.S. Introduction to open tubular columns. Norwalk (Conn.): Perkin-Elmer, 1978.

Giddings J.C. // Anal. Chern. 1964. Vol. 36. P. 741.

Anon. Ц J. High Resolut. Chromatogr, Chromatogr. Commun. 1997. Vol. 20. P. 122.

Ettre L.S. H Ibid. 1998. Vol. 21. P. 121-123.

Suprynowicz Z., Gorgol A., Woicik J. // J. Chromatogr. 1978. Vol. 148, N l. P. 151-157.

De Nijs R.C.M., Dooper R.P.M. Ц J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun.1980. Vol. 3, N 11, P, 583-584.

Cramers C.A., Vermeer E.A., Franken J J. Ц Chromatographia. 1977. Vol. 10, N 6. P. 412-418.

Yang F.J., Cram S.P., Brown A.C., McCoy R.N. // Abstr. Pittsburgh Conf. Anal. Chern., Appl. Spectroscopy, Cleveland, Ohio, 1977. Pittsburgh (Pa.), 1972.

Kaiser R. I I Chromatographia. 1976. Vol. 9, N 8. P. 337.

Kaiser R. // Ibid. 1975. Vol. 8, N 8. P. 491.

Kaiser R. 11 Ibid. 1976. Vol. 9, N 8. P. 463.

Kaiser R„ Reider R. Ц \\Ad. 1977. Vol. 10,N8, P. 455—465.

Guiochon G. Ц Ibid. 1978. Vol. 5, N 8. P. 422.

Eure L.S. Ц J. Gas Chromatogr. 1963. Vol. 1, N 2. P. 36-47.

Grob K.. Grob G. //Chromatographia. 1971. Vol. 4, N 8. P. 422.

Grob К., Grob G., Grob K., Jr. // J. Chromatogr. 1978. Vol. 156, N. 1. P. 1-20.

Grob K„ Grob G„ Grob K„ Jr. // Ibid. 1981. Vol. 219, N 1, P. 13-20.

Goreni G., Liberti A. // Ibid. 1978. Vol. 161. P. 89-95.

Yung F.G., Brown A.C., Cram S.P. // Amer. Lab. 1978. Vol. 10, N 8. P. 57-66.

Einig R.G., MacDonald JL. // Anal. Chem. 1976. Vol. 48, N 14. P. 2281-2284.

Sandra P., Verzele M. HChromatographia. 1977. Vol. 10, N 8. P. 419-425.

Yabumoto K„ Van den Heuvel W.J. // J. Chromatogr. 1977. Vol. 140, N 3. P. 197-207.

Parker D.A., Marshall JL. // Chromatographia. 1978. Vol. 11, N 9. P. 526-533.

Shibamoto T„ Harada K., Yamaguchi K„ Aitoku АЛ J. Chromatogr. 1980.

Vol. 194, N 3. P. 277-284.

Haken J.K. // Ibid. 1984. Vol 300, N 1. P. 1-77.

Haken J.K„ ObitaJA. //Ibid. 1982. Vol. 244. P. 259, 265.

Haken J.K., Rohanna M.A. // Ibid. 1984. Vol. 298. P. 263.

Haken J.K., Korhonen I.O.O. // Ibid. 1983. Vol. 257. P. 267.

Haken J.K., Korhonen l.O.0. // ibid. Vol. 268. P. 511.

Itsikson L.B., Berezkin V.G., Haken J.K. // Ibid. 1985. Vol. 334. P. 1-33.

Cram S.P., Lang FJ. // In. Res. Develop. 1978. Vol. 20, N 4. P. 89-95.

Eklund G„ Roos С. II Kern. Tidskr. 1980. Vol. 92, N 2. P. 22-28.

Ofstad E.B., Drengshoit H. H Kjimi. 1980. Vol. 40, N 11. P. 28-3],

Lee ML., Wright W. // J. Chromatogr. 1980. Vol. 184, N 3. P. 235- 312.

Houtermans WJ., Bal ML. H Abstr. Pap. Pittsburgh Conf. Anal. Chern., A ppi. Spectroscopy, Atlantic City, N.J., 1980. Pittsburgh (Pa.), 1980. P. 205.

Alexander G. //Chromatographia. 1981. Vol. 14, N 1. P. 55-66.

BerhtouFJ/ Spectra 2000. 1981. Vol. 9, N64. P. 37-41: N 65. P. 45-56.

Schomburg G., Husman H., Behlau H. // J. Chromatogr. 1981. Vol. 203. P. 179-191.

Grob К. И Ibid. Vol. 205, N 2. P. 289-296.

Houtermans W.J., Bal ML. // Abstr. Pap. Pittsburgh Conf. Anal. Chem., Appl. Spectroscopy, Atlantic City, N.J., 1980. Pittsburgh (Pa.), 1980. P. 206.

Driessen 0., Emonds A., Lugtenburg J. // J, Chromatour. 1982. Vol. 234, N2.P. 303-312.

Spark A.A., Ziervogel M. // J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1980. Vol. 3, N 12. P. 641-642.

Глава 6

НЕКОТОРЫЕ НЕПОДВИЖНЫЕ ФАЗЫДЛЯ КАПИЛЛЯРНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ

НЕПОДВИЖНЫЕ ФАЗЫ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

Значительные успехи газовой хроматографии, обеспечившие широкое распространение этого метода разделения и анализа веществ, в большой степени связаны с тем, что при относительно невысокой эффективности наполненных колонок в них можно было использовать широкое многообразие различных неподвижных фаз, из которых во многих случаях удавалось выбрать достаточно селективные материалы, обеспечивающие желаемое разделение.

К сожалению, не всякая неподвижная фаза, хорошо зарекомендовавшая себя при работе на наполненных колонках, позволяла приготовить капиллярные колонки высокого качества. Однако достаточно широкое распространение кварцевых капиллярных колонок в большой степени способствовало распространению иной точки зрения на эту проблему. Эта точка зрения включает представление о том, что при наличии высококачественных, высокоэффективных и достаточно инертных капиллярных колонок нет необходимости в подборе каких-либо особо селективных неподвижных фаз, и для решения любой (или почти любой!) задачи разделения достаточно иметь лишь ограниченный набор таких неподвижных фаз. Действительно, в начале распространения кварцевых колонок в конце 1970-х и в начале 1980-х гг. эти колонки высокого качества удавалось получать только с неполярными полисилоксанами и с полиэтиленгликолем [I]. Однако такие колонки благодаря их высокой эффективности позволяли решать огромное большинство проблем разделения, возникающих в химико-аналитической практике.

Таким образом, среди специалистов в области газовой хроматографии утвердилась вторая крайняя точка зрения: для решения

любой задачи разделения необходимо в первую очередь подобрать достаточно доступную высокоэффективную и инертную капиллярную колонку с одной из немногих неподвижных фаз, доступных для ее изготовления. Проблема же подбора селективных неподвижных фаз стала рассматриваться как второстепенная.

Действительно, имеется целый ряд факторов, затрудняющих приготовление высокоэффективных капиллярных колонок с полярными неподвижными фазами. С ростом полярности возрастает поверхностное натяжение. Поэтому для равномерного распределения полярных неподвижных фаз на поверхности стеклянных и кварцевых капилляров необходимо обеспечить наличие на этой поверхности подходящих химических групп, способных к надлежащим межмолекулярным взаимодействиям, включая ковалентное связывание с неподвижной фазой. К сожалению, все эти меры обычно приводят к увеличению адсорбционной активности и к снижению стабильности получаемых капиллярных колонок.

Тем не менее в течение длительного времени развития капиллярной хроматографии было выявлено довольно большое число новых неподвижных фаз, обладающих особыми преимуществами или позволяющих решать те или иные специфические задачи разделения. Ниже будут рассмотрены наиболее важные и интересные представители таких групп, успешно использовавшиеся при приготовлении стеклянных и кварцевых капиллярных колонок.

Характеристики основных типов неподвижных фаз, применяемых в газовой хроматографии, достаточно подробно описаны в многочисленных монографиях и справочниках, например в [2-8]. С точки зрения капиллярной хроматографии наибольший интерес представляют специально синтезированные для газовой хроматографии полисилоксановые полимеры с узким молекулярномассовым распределением и полиэтиленгликоли и полипропи- ленгликоли с молекулярной массой от 2000-4000 до 106 а.е.м. и выше. В ранний период развития газовой хроматографии в качестве неподвижных фаз использовали, в основном, силиконовые полимеры общепромышленного назначения [9, 10], однако позже стали применять материалы, созданные специально для использования в газовой хроматографии. Хотя эти материалы традиционно называют неподвижными жидкими фазами, многие из них представляют собой каучукоподобные тела, к тому же способные к вулканизации - т.е. к поперечной сшивке молекул с образованием трехмерных нерастворимых структур. Так появились серии полисилоксанов для газожидкостной хроматографии

с обозначениями SE, OV, SP, ПФМС, СКТВ и другие (поли диме- тилсилоксаны SE-30, OV-1, SP-2000), полиметилфенилсилоксаны с содержанием фенильных групп от 5 до 50-70% (SE-54, OV-17, OV-1701, SP-2340), полисилоксаны с 25-50% цианопропильных групп (ХЕ-60, XF-1150, Silar ЮС) и трифторпропильными заместителями (QF-1 и др.).

Отличительными особенностями полимерных неподвижных фаз для газовой хроматографии являются более высокая чистота полимера, из которого удаляют следы катализаторов, мономеров, растворителей и других нежелательных примесей, и более узкое молекулярно-массовое распределение по сравнению с полимерами общепромышленного назначения. Как показано в работе [11], это последнее качество имеет особое значение при использовании полисилоксанов и полигликолей в капиллярной хроматографии.

Многообразие выпускаемых различными фирмами полисилоксанов побудило ряд исследователей к попыткам выявления наиболее подходящих полимеров для нанесения на стенки стеклянных и кварцевых капилляров. Так Старк, Ларсен и Дандено, подвергнув статистической обработке большое число публикаций по капиллярной хроматографии с использованием математико-статистического метода главных компонент, установили, что наиболее предпочтительными неподвижными фазами в капиллярной хроматографии являются следующие шесть групп материалов [12]:

Полидиметилсилоксаны (SE-30, OV-1);

Полиметилфенилсилоксаны, содержащие 50-70% фенильных групп (SE-54, OV-17, OV-1701, SP 2340);

Полисилоксаны, содержащие 25-50% цианопропильных групп (ХЕ-60, XF-1150. Silar ЮС);

Полисилоксаны, содержащие 50-70% цианопропильных групп (OV-225 и др.);

Полисилоксаны с трифторпропильными группами (QF-1 и др.);

Полиэтиленгликоли с молекулярной массой от 2000-4000 до 40 тыс. а.е.м. (Карбовакс 20М, Карбовакс 40М).

Опубликован ряд экспериментальных исследований, посвященных применению отдельных полисилоксанов для решения определенных аналитических задач, либо для приготовления высококачественных капиллярных колонок с повышенной полярностью и термической устойчивостью [13, 14], Так, например, авторы работы [14] приводят подробное описание своих экспериментов по приготовлению стеклянных капиллярных колонок с высокополярным полисилоксаном Силар ЮС.

Достаточно легко на стенки стеклянных и кварцевых капилляров наносятся, кроме полисилоксанов и полиэтиленгликолей, также и другие полигликоли и соединения со структурами типа углеводородов. Например, авторам удавалось получать достаточно эффективные капиллярные колонки, используя в качестве неподвижных фаз природные жиры. Такие колонки были вполне работоспособны до температур 220-240°С в зависимости от характера подготовки исходных материалов. Сандра и соавт. [14] сообщили об успешном применении в качестве неподвижной фазы для капиллярных колонок насыщенного углеводородного полимера RSL-110, имеющего молекулярную массу около 105 а.е.м. Эти авторы показали, что приготовленные ими капиллярные колонки позволяют осуществить разделение метиловых эфиров жирных кислот при температурах до 300°С.

Нанесение на стеклянные капилляры полипропиленгликолей позволяет получать вполне удовлетворительные колонки, как стеклянные, так и металлические. В качестве растворителя при выполнении этой операции с использованием полипропиленгликолей Ucon-50HB-660 и Ucon-50-HB-2000 может быть использован не только хлористый метилен, но и диэтиловый эфир [15].

Синтез и применение интересных новых неподвижных фаз, содержащих от 3-х до 6 бензольных колец, соединенных кислородными мостиками в мета-положении и замещенных атомами брома или цианогруппами, описали Дансор и Пул [16-18]. Общая формула этих соединений приведена ниже

Из многих исследованных соединений этой группы наиболее привлекательное сочетание термической устойчивости и хроматографических характеристик было выявлено у следующих соединений:

РРЕ-7: R, = R4 = R = Br; R2 = R3 = Н; л = 1;

РРЕ-8: R, = R2 = R3 = R4 = Н; R = Br; n = 5

if цианофениловый эфир:

R1 = R4 = H; R2 = R3= R = CN; и = 3.

Эти замещенные полифениловые эфиры позволяли работать при температурах до 290°С и обеспечивали достаточно высокую эффективность приготовленных с их использованием колонок, Бромзамещенные соединения были получены с количественными выходами прямым бромированием соответствующих полиэфиров элементным бромом в четыреххлористом углероде в присутствии ацетата таллия.

ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ НЕПОДВИЖНЫЕ ФАЗЫ

В период между 1980 и 1985 гг, внимание многих исследователей привлекали жидкокристаллические неподвижные фазы, проявляющие специфическую селективность по отношению к близким структурным изомерам ароматических соединений и олефинов [19,20]. Хотя о применении жидкокристаллических неподвижных фаз в хроматографии сообщалось уже в 1963 г., это направление привлекло к себе повышенное внимание исследователей именно в первой половине восьмидесятых годов,

В качестве неподвижных фаз использовали, например, такие соединения, как N,N'-биc-(n-бyтoкcибeнзилидeн)-a,a'-би-n-тoлy- идин или смеси жидкокристаллических неподвижных фаз с полисилоксанами SE-52 или SE-54 [19]. Такие капиллярные колонки успешно применяли для разделения смесей полициклических ароматических углеводородов.

Янсон и Калидин описали способ получения капиллярных колонок с высокотемпературными нематическими жидкокристаллическими неподвижными фазами, синтезируемыми непосредственно в колонке [20]. Стеклянные колонки длиной 17-18,5 м и диаметром 0,25 мм подвергали травлению хлороводородной кислотой. Для этого колонки заполняли 20%-ной кислотой, запаивали концы и выдерживали в течение ночи при 180°С, после чего промывали дистиллированной водой и сушили 2 часа при 250°С в слабом токе гелия. Затем на стенки капилляра наносили слой кристаллов ВаСО3 по рекомендациям Гроба и сотр., либо подвергали стенки колонки карбонизации. Для этого через капилляр в течение 2 часов при 50°С пропускали азот, насыщенный парами хлористого метилена барботажем при 0°С. Затем запаивали концы колонки, нагревали ее 1 час при 550°С и промывали 10%-ным раствором диэтиламина в хлористом метилене. Далее на стенках

колонки формировали слой неподвижной фазы следующим образом. Колонку заполняли раствором а,а'-би-и-толуидина и п- фенилбензальдегида в смеси ацетона и эфира. Концентрации реагентов в этом растворе были равны, соответственно, 3,18 и 5,43 г/л (мольное соотношение 1:2). Один конец колонки закрывали, засасывая в него гексан на длину 4-5 см и затем расплавленный парафин. Затем колонку погружали в водяную баню с температурой 20°С и открытый конец присоединяли к вакууму для испарения растворителя. Через 10-40 часов отрезали закрытый конец и дезактивировали колонку пропусканием 0,1%-ного раствора полиэтиленгликоля в хлористом метилене. После этого колонку кондиционировали, нагревая ее в слабом токе гелия от 20 до 300°С со скоростью 0,5 град/мин. При этой температуре колонку выдерживали 24 часа. Расчетная толщина пленки неподвижной фазы составляла по данным авторов 0,5 мкм. По такой же методике готовили колонки с М,М'-бис-(п-метоксибензили- ден)-а,а'-би-и-толуидином, однако в этом случае растворителем при операции нанесения неподвижной фазы был хлористый метилен.

Полученные колонки, испытанные при 78,5, 102,5 и 166°С, имели эффективность до 16,8 тыс. т.т. и обеспечивали хорошее разделение изомерных бенз[а]пирена, бенз[е]пирена и перилена, что является достаточно трудной аналитической задачей.

Температура фазового перехода от нематического к изотропно-жидкому состоянию для изученных жидких кристаллов составляла 262°С. Авторы этой работы процитировали более 15-ти публикаций по применению жидкокристаллических неподвижных фаз, начиная с 1963 г.

Способность молекул жидкокристаллических неподвижных фаз переориентироваться под влиянием электрических полей пытались использовать для направленного изменения удерживающих свойств капиллярных колонок [21-26]. В этих работах использовали 4'-этоксибензилиден-4-цианоанилин, 4'-анизаль-4- ацетоксианилин, 4,4'-азоксидианизол и 4,4'-ди-н-пентилоксиазобензол, которые наносили или непосредственно на стенки разделительных капиллярных колонок, или на короткие, длиной 2-4 м, вспомогательные колонки, установленные перед основной капиллярной колонкой. Последняя представляла собой стеклян-

ный капилляр с “усами” на стенках, на которую наносили поли- диэтиленгликольсукцинат из 5%-ного раствора в хлористом метилене. Эти работы представляют собой относительно немногочисленные примеры применения полиэфирных неподвижных фаз в капиллярной хроматографии. В то же время, в перечисленных работах было показано, что в колонках с жидкокристаллическими неподвижными фазами имеют место вполне определенные связи между абсорбцией различных веществ на жидких кристаллах и напряженностью приложенного электрического поля. Однако возлагавшиеся на этот подход большие надежды по достижению высокой эффективности разделения в целом пока не оправдались.

Ряд попыток использовать в качестве неподвижных фаз в газовой хроматографии краун-эфиры разного строения обобщены в двух недавних обзорах [27, 28]. При этом предполагалось добиться повышенной селективности разделения изомерных соединений за счет разных возможностей к образованию соединений включения у веществ с линейной и разветвленной структурой. Впервые такие возможности были продемонстрированы на примере циклических эфиров салициловой кислоты еще в 1958 г. [29], однако в целом эти попытки пока не привели к каким-либо особо интересным результатам, которые оправдывали бы затраченные усилия исследователей.

МОДИФИЦИРОВАНИЕ НЕПОДВИЖНЫХ ФАЗПОЛЯРНЫМИ ДОБАВКАМИ

В ряде случаев при необходимости анализировать смеси очень полярных соединений типа спиртов или свободных органических кислот исследователи прибегают к различным способам модификации неподвижных фаз в капиллярных колонках. При этом роль модификатора заключается, с одной стороны, в подавлении активности остаточных адсорбционных центров на стенках капиллярных колонок, и, с другой стороны, в исправлении формы изотерм сорбции, значительно отклоняющихся от прямолинейных для многих полярных соединений.

Интересно проследить применение таких модификаторов неподвижной фазы на примере анализов свободных органических кислот. Уже в 1968 г. Ли и Бете [30] при разделении группы свободных кислот добавляли к неподвижной фазе небольшое количество фосфорной кислоты. В дальнейшем в качест-

ве модификаторов кислотного характера, применяемых в форме небольших добавок к неподвижным фазам в процессе приготовления капиллярных колонок, использовали тримезино- вую кислоту [31], гримерную кислоту [32] и 1,15-пентадекан- дикарбоновую кислоту [33]. Описаны успешные примеры разделения свободных кислот в капиллярных колонках и с добавлением к неподвижной фазе менее активных, но, тем не менее, высокополярных соединений. Для этой цели использовали добавки полиэтиленгликоля 20М [34], полипропиленгликоля Ucon [35-38], полиэфира этиленгликоля и динитрофталевой кислоты FFAP [39, 40].

Целая серия таких добавок и неподвижных фаз испытана в работе [39], где описаны успешные эксперименты по разделению свободных кислот на стеклянных капиллярных колонках со стенками, модифицированными различными агентами, снижающими интенсивность адсорбционных взаимодействий (кислый диоксид кремния, дезактивированный хлоридом бензилтрифенилфосфония). Описаны также стеклянные капиллярные колонки для анализа свободных кислот со стенками, покрытыми каолином. Эти колонки готовили следующим образом [40, 41]. В смеси 35 мл четыреххлористого углерода и 15 мл хлористого метилена растворяли 40 мг полиэфира FFAP и к полученному раствору добавляли 200 мг каолина, который диспергировали в течение 60 мин действием ультразвука с частотой 20-24 кГц с амплитудой около 2 мкм (использовали сверлильную машину с большим числом оборотов). Затем 2 мл полученной суспензии пропускали дважды в двух противоположных направлениях через тщательно промытый хлористым метиленом стеклянный капилляр с внутренним диаметром 0,2-0,3 мм. Далее колонку промывали двумя порциями хлористого метилена объемом 10 мл каждая и удаляли растворитель в слабом токе азота. После этого колонку кондиционировали в токе азота при 400°С в течение 12-15 ч (в течение ночи) для дегидратации каолина. Далее наносили неподвижную фазу FFAP динамическим способом из 12%-ного раствора в хлористом метилене. При длине использованных капилляров 13-16 м были получены колонки с эффективностью до 3800 т.т./м, обеспечивавшие величину ЭЧП 27-30 даже при разделении гомологических серий свободных алифатических кислот [41 ].

Очень полярные эфиры оксикислот, выделенных из растительных материалов (кофейной, кумариновой, хинной и феруловой), разделяли Мюллер и Герман [42] на стеклянных капиллярных колонках длиной 40-50 м и диаметром 0,27 мм. под-

вергнутых силанизации М,О-бис-(три метил силил (-ацетамидом (BSA). После обработки силанизирующим агентом колонку выдерживали 20 часов при 110°С, промывали толуолом и пентаном (порциями по 2 мл), высушивали в токе азота 30 мин при 100°С и наносили на нее неподвижную фазу (полисилоксаны SE-30, SE-54) статическим способом из 0,2%-ного раствора в пентане. После нанесения неподвижных фаз колонки кондиционировали путем постепенного нагрева от 220 до 270°С со скоростью 4 град/мин. Этот пример показывает возможность приготовления высокоэффективных стеклянных и кварцевых капиллярных колонок для разделения весьма высокополярных соединений достаточно простым и рациональным способом.

НЕПОДВИЖНЫЕ ФАЗЫ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯОПТИЧЕСКИХ ИЗОМЕРОВ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Последний вопрос, который следует затронуть при обсуждении неподвижных фаз для капиллярных колонок, связан с проблемой разделения энантиомеров - оптических изомеров разнообразных соединений, имеющих в составе своих молекул асимметрические атомы углерода либо такие молекулярные фрагменты, которые обеспечивают возможность существования двух энантиомерных форм.

Как известно, оптические изомеры органических соединений имеют полностью идентичные химические и основные физические свойства и различаются лишь по своей способности вращать вправо или влево плоскость поляризации света и по-разному взаимодействовать с другими оптически активными соединениями. Поэтому такие изомеры определенно не могут быть разделены с помощью газовой хроматографии с обычными, оптически неактивными неподвижными фазами даже при очень высокой эффективности колонок.

Проблема разделения оптических изомеров волнует химиков уже почти 150 лет. Это связано, помимо чисто теоретического интереса, с тем фактом, что, будучи практически идентичными по своим химическим свойствам, оптические изомеры многих веществ существенно различаются по своей биологической активности. Так, например, все аминокислоты, из которых построены белки высших организмов, относятся к ряду левовращающих изомеров, тогда как их правовращающие антиподы совершенно не усваиваются организмами.

Разные оптические изомеры некоторых терпенов и их кислородсодержащих производных сильно различаются по запаху. Например, один из изомеров может пахнуть мятой, а другой - тмином.

Трагическим примером разного биологического действия оптических антиподов является седативное и снотворное средство Талидомид. Этот препарат был предложен в шестидесятые годы как хорошее успокаивающее средство для беременных, что привело к многочисленным уродствам новорожденных, матери которых применяли это лекарство. В дальнейшем было выяснено, что таким тератогенным действием обладает лишь один из двух оптических изомеров Талидомида, получавшийся вместе с другим, полезным изомером по принятой в то время технологии его получения [43, 44].

Весьма сильно различается биологическая активность разных оптических изомеров и многих других лекарств, гормонов, простагландинов, ферментов и других жизненно важных соединений. Это объясняет тот значительный интерес, который проявляется к проблеме анализа и разделения смесей оптических изомеров специалистами в самых разнообразных областях фармации, медицины, химии и химической технологии.

Относительно новым, весьма действенным и перспективным путем разделения оптических изомеров стали хроматографические методы. В газовой хроматографии наметились два направления в решении этой проблемы.

Первое из них заключается в том, что для разделения двух оптических изомеров вещества А (с некоторым упрощением назовем их правым и левым изомерами и обозначим DA и LA) получают продукты соединения этих изомеров с одним из оптических изомеров другого вещества В, то есть с чистым изомером DB или LB. Например, чтобы разделить оптические изомеры какой-либо органической кислоты, имеющей в молекуле асимметрический атом углерода, как в случае D и L изомеров яблочной кислоты

сн3-*сн-соон

он

(асимметрический атом углерода обозначен звездочкой), можно получить сложные эфиры изомеров этой кислоты с природным терпеновым спиртом ментолом, представляющим собой чистый D-изомер. Структуры образующихся при этом соединений можно упрощенно обозначить DA-DA и LA-DA. Такие соединения, называемые диастереомерами, уже не относятся друг к другу как предмет к своему зеркальному отражению и представляют собой

разные вещества с более или менее различными физическими и химическими свойствами. Поэтому их можно разделить разнообразными способами, применяемыми в синтетической органической химии и химической технологии, в том числе и хроматографией на достаточно эффективных колонках. При этом такое разделение в принципе ничем не будет отличаться от разделения других близких по свойствам соединений, выполняемого с помощью высокоэффективных хроматографических процессов, рассматриваемых в этой книге.

После химического расщепления разделенных таким путем диастереомеров можно получить в чистом виде каждый из оптических изомеров исходного вещества А.

Однако такой способ их разделения весьма трудоемок, длителен и далеко не универсален. Более привлекателен иной способ разделения таких изомеров, который в газовой хроматографии заключается в том, что в качестве неподвижной фазы в колонке применяют вещества с разной способностью к специфическому взаимодействию с тем или иным оптическим изомером пары, подвергающейся разделению. Такими неподвижными фазами являются вещества, сами обладающие асимметрическими центрами в молекуле, либо имеющие молекулярную структуру, придающую им способность по-разному взаимодействовать с разными оптическими изомерами.

Подробное рассмотрение особенностей оптической изомерии и механизма разделения энантиомеров на колонках с асимметрическими, хиральными* неподвижными фазами (как говорят “хирального распознавания”) выходит за рамки этой книги.

Поэтому мы вынуждены отослать заинтересованного читателя к специализированным обзорам и книгам по данному вопросу [45-52]. Здесь же мы ограничимся только рассмотрением основных типов неподвижных фаз, используемых для разделения изомеров хиральных соединений на капиллярных колонках.

Первые успешные опыты по разделению оптически активных изомеров сложных эфиров аминокислот в форме их летучих трифторацетил ьных производных были осуществлены Гил-Авом и сотр. [53, 54] в 1966 г. Эти авторы применяли стеклянные капиллярные колонки длиной 100 м, в которых хиральной неподвижной фазой служило N-трифторацетильное

' "Хейрос" (греч.) - рука. Хиральными называют молекулы, существующие в двух формах, относящихся друг к другу как предмет к своему зеркальному отражению, или, например, как правая рука к левой.

производное оптически активной аминокислоты к-изолейци- Я на. Такая неподвижная фаза обладала недостаточной термине- Я ской устойчивостью, и, в то же время, довольно высокой тем- Я пературой плавления. Это сильно ограничивало диапазон воз- Я можных рабочих температур. Поэтому в практику энантио- Я мерных разделений были введены неподвижные фазы, синте- Я зированные из оптически активных дипептидов с углеводород- Я ными заместителями, например, такими, как циклогексиловый Я эфир N-трифторацетильного производного k-валил-к-валина Я [55].Я

Было показано, что разделение оптических изомеров лету- Я чих производных аминокислот улучшается, если в молеку- Я лу неподвижной фазы введены достаточно объемные алкиль- Я ные заместители, как, например, в трет.-бутиламиде-М-лау- Я роил-к-валина [56-59]. Эта неподвижная фаза обеспечивала Я достаточно высокие коэффициенты разделения (в диапазоне Я величин а 1,16-1,28) оптических изомеров большого числа Я аминокислот, однако для некоторых из них наблюдали очень Я малые различия в удерживании, требующие применения высо- Я неэффективных капиллярных колонок (например, 1,084 для ■ лейцина, 1,078 для аспарагиновой кислоты, 1,057 для пролина). I В 1970-е гг. изучение неподвижных фаз на основе производ- ■ ных аминокислот проводилось достаточно интенсивно. Были ■ испытаны многочисленные соединения, среди которых инте- ■ ресны карбонил-бис-эфиры аминокислот, способные в опреде- ■ ленном диапазоне температур переходить в жидкокристалли- ■ ческое состояние, что обеспечивало значительное улучшение ■ разделения оптических изомеров [56].■

Достаточно эффективными для разделения оптических * изомеров разных групп соединений преимущественно поляр- Я ного характера оказались неподвижные фазы триазиновой Ж структуры, содержащие в молекуле остатки оптически актив- ж ных аминокислот (k-лизина или ди- и трипептидов к-валина) ■ [60-64].|

Исследования показали, что введение в молекулу хираль- -^ ной неподвижной фазы амидной группировки с объемистым Ж заместителем, также содержащим асимметрический атом yr- V лерода, весьма существенно расширяет как диапазон рабочих g температур неподвижной фазы, так и круг возможных объектов анализа. Так, в качестве неподвижных фаз были с успехом использованы содержащие асимметрический центр в амидном фрагменте молекулы изомеры 1-(а-нафтил)-этиламид N-лау- роил-к-пролина и 1-(а-нафтил)-этиламид О-лауроилминдаль- ной кислоты [65-69]. Последняя неподвижная фаза была, по-

видимому, первым примером такого материала, не содержащим аминокислотного фрагмента.

На кварцевых капиллярных колонках диаметром 0,25 мм и длиной 25-50 м с вышеназванными неподвижными фазами успешно разделяли оптические изомеры не только производных аминокислот, но и летучих производных ряда аминов, оксикислот, трет.-бутил амидов карбоновых кислот, большого числа сложных эфиров и нитрилов.

Весьма успешным оказалось также применение в качестве хиральных неподвижных фаз производных трднохризантемо- вой кислоты, содержащей в молекуле трехчленный цикл с двумя асимметрическими атомами углерода:

Хризантемовая кислота

В качестве неподвижных фаз в капиллярных колонках использовали 1-(«-нафтил)-этиламид самой трпнохризантемовой кислоты и 1-(«-нафтил)-этиламид О-трянс-хризантемоилминдальной кислоты [70, 71]. Общим недостатком описанной группы хиральных неподвижных фаз является весьма узкий диапазон рабочих температур и довольно низкая термическая устойчивость - их максимальные рабочие температуры, к сожалению, не превышают 150°С.

Необычными неподвижными фазами для разделения оптических изомеров на капиллярных колонках оказались хиральные комплексы ряда металлов (никеля, родия, европия и др.) с р-ди- карбонильными соединениями, также имеющими в молекуле асимметрический атом углерода. Такие комплексы наносили на стенки капиллярных колонок в виде растворов в сквалане. Необходимые для образования таких комплексов хиральные лиганды получали из оптически активных природных соединений терпенового характера (камфоры, пулегона и др.). Эти соединения уже имеют в молекуле одну кетонную группу. Вторую кетогруппу вводили в их состав путем перфторацетилирования по «-углеродному атому по отношению к кетогруппе. На схеме представлены структуры двух типичных комплексов - представителей этой группы соединений.

Эти неподвижные фазы позволяют разделять оптические изомеры большой группы неполярных соединений, таких как

Родиевый комплекс а - трифторацетилкамфорыРодиевый комплекс а - трифторацетилкамфорыНикелевый комплекс а - ге птафторбути рата пулегона(Lig - дополнительные лиганды)Никелевый комплекс а - ге птафторбути рата пулегона(Lig - дополнительные лиганды)

Родиевый комплекс а - трифторацетилкамфоры

Родиевый комплекс а - трифторацетилкамфоры

Никелевый комплекс а - ге птафторбути рата пулегона

(Lig - дополнительные лиганды)

Никелевый комплекс а - ге птафторбути рата пулегона

(Lig - дополнительные лиганды)

3-метилциклопентенон, циклические алкены, сложные эфиры, кетоны и тиоэфиры [70-75].

Кроме того, в качестве хиральных неподвижных фаз использовали также комплексы меди и оснований Шиффа, полученных из салицилового альдегида и аминоспиртов с асимметрическим атомом углерода в молекуле. Такими аминоспиртами являются 2- ами но-1,1 - дифенилпропанол-1, 2-а мин о-1,1 -бис-(5 -трет, -бутил- 2-октилоксифенил)-пропанол-1 и 2-амино-1,1-бис-(5-трет.-бу- тил-2-гептилоксифенил)-3-фенилпропанол-1. Эти аминоспирты содержат в молекуле один асимметрический атом углерода, что и обусловливает их различное межмолекулярное взаимодействие с разными оптическими изомерами разделяемых соединений (76, 77].

Все вышеперечисленные хиральные неподвижные фазы обладают, к сожалению, невысокой термической устойчивостью и узким диапазоном рабочих температур. Так, для подавляющего большинства из них предельно допустимая рабочая температура не превышает 150°С. Стремление устранить этот недостаток привело к разработке высокотемпературных хиральных неподвижных фаз, в которых хиральные низкомолекулярные фрагменты ковалентно связаны с полимерными цепями термостойких полисилоксанов [78, 79]. Обычно для этой цели использовали известные полисилоксаны, содержащие цианопропильные группы, например. ХЕ-60 или OV-225. Цианогруппы этих заместителей могут быть гидролизованы до амидных или карбонильных групп,

Рис. 48. Разделение энантиомеров 19 рацемических аминокислот (в форме летучих изопропиловых эфиров /V-перфторпропиониль- ных производных) на стеклянной капиллярной колонке размером 25 м х 0,25 мм с неподвижной фазой Хиросил-Вал при программировании температуры от 90 до 200°С

либо подвергнуты гидрогенизации до первичных аминогрупп. Все эти заместители далее могут быть использованы для присоединения к полимерной цепи низкомолекулярных хиральных фрагментов типа L-валин-трет.-бутиламида [79] или L-валин-!- фенилэтиламида [80-85]. Такие хиральные полисилоксаны позволяют разделять оптические изомеры очень широкого круга органических соединений. В частности, с их помощью удалось разделить оптические изомеры ряда трифторацетильных производных углеводов и других гидроксильных и карбонильных соединений [86, 87].

Стеклянные и кварцевые капиллярные колонки, содержащие в качестве неподвижной фазы полисилоксаны с привитым трет.-бутил амидом L-валина, получили достаточно широкое распространение и стали коммерчески доступными под названием Хирасил-Вал (рис. 48).

Механизм хирального распознавания, то есть разделения оптических изомеров на подобных неподвижных фазах детально обсуждается в работах [88-91], а в работах [92-101] приведены дополнительные примеры применения хиральных полисилокса-

новых неподвижных фаз для решения сложных химико-аналитических проблем.

Последняя группа неподвижных фаз, заслуживающих упоминания, - это вещества, способные образовывать с разделяемыми оптическими изомерами соединения включения с разной устойчивостью для правых и левых изомеров. Такими хиральными агентами могут являться циклодекстрины - соединения хорошо известные в биохимии и фармации. Эти интересные неподвижные фазы применяли вначале в наполненных колонках, нанося их на твердые носители типа Хромосорба или Целита в форме растворов в диметилформамиде [102, 103], и использовали для разделения близких изомеров ароматических углеводородов, например, мета- и пара-ксилолов [102]. Однако вскоре было показано, что а-циклодекстрин позволяет разделять и оптические изомеры низших углеводородов и простейших кислородсодержащих соединений типа 2-метилбутанола-1 или окиси пропилена [103]. При этом было отмечено, что алкилирование и ацилирование свободных гидроксильных групп субъединиц глюкозы, из которых построены молекулы циклодекстринов, весьма существенно изменяет их способность к разделению оптических изомеров: те изомеры, которые не разделяются на незамещенном циклодекстрине, хорошо делятся, например, на его ацетильных производных и наоборот. Строгие закономерности в этом вопросе пока еще не установлены. Тем не менее циклодекстрины и их алкильные и ацильные производные довольно широко используются в настоящее время в капиллярной хроматографии в качестве компонентов высокоселективных неподвижных фаз, предназначенных для разделения оптических изомеров различных соединений. Так, например, энантиомеры применяемого в парфюмерии душистого вещества - терпенового спирта линалоола (3,7-диме- тил-1,6-октадиен-3-ола) и его ацетата, содержащиеся в природном лавандовом эфирном масле, разделяли на капиллярных колонках с 2,6-диметил-З-пентил-р-циклодекстрин ом [104-108]. Для этой цели использовали кварцевую колонку размером 25 м х 0,25 мм с пленкой циклодекстрина толщиной 0,25 мкм, работавшую при температуре 90 °C. Хотя энантиомерная чистота анализируемых продуктов в большинстве случаев колебалась от 72 до 100%, наличие меньшего по концентрации изомера удавалось четко определить даже при его содержании менее 0.2-0,3 % (рис. 49).

Тридцатипроцентные растворы 2,6-ди-О-метил-З-О-пентил-р- циклодекстрина и 2,3-ди-О-ацетил-6-О-трет.-бутилдиметилсилил- p-циклодекстрина в полисилоксановых неподвижных фазах OV- 1701 и PS-086, нанесенные в виде пленки толщиной 0,15 мкм на

Рис. 49. Разделение энантиомеров производных линалоола на капиллярных колонках дл. 25 м и диаметром 0,25 мм с неподвижными фазами 2,3-ди-О-этил-6-O-mpem.-бутилдиметилсилил-р-циклодекстрином (НФ1) и ди-О-этил-б-трс/л.-бутилдиметилсилил-у-циклодекстрином (НФ2) в форме 30%-ных растворов в полисилоксане PS-086 при толщине пленки неподвижной фазы 0,15 мкм

а - линалоол, 60°С, НФ I; 70°С (НФ2); б - линалил ацетат, 60°С, НФ 1; 70°С (НФ2): е - линалилпропионат, 85°С, НФ1; 75°С, НФ2

кварцевые капилляры размером 25 м х 0,25 мм, дезактивированные полиэтиленгликолем карбовакс 20М [109-111], позволяли разделять энантиомеры метиловых эфиров 3-оксигексановой и 2-ме- тилмасляной кислот, а также б-гексалактон, 5-окталактон и у-дека- лактон. Последнее соединение было выделено как природный компонент аромата плодов манго. Те же неподвижные фазы, нанесенные на поверхность кварцевых капилляров размером 25 м х 0,53 мм в виде пленок толщиной 2-3 мкм, позволили осуществить микро- препаративное разделение энантиомеров перечисленных выше соединений, причем величина вводимых проб достигала нескольких сотен микрограммов [112, 113]. С целью микропрепаративного выделения разделенных продуктов на автоматическом микропрепа- ративном хроматографе выполняли разделение от 70 до 90 повторных проб массой от 5 до 150 мкг. При этом чистые энантиомеры были собраны в количествах от 16 мкг до 1,05 мг, а их выход составлял от 13 до 52,7% от введенного количества.

С применением кварцевых капиллярных колонок размером 25 м х 0,25 мм с пленками энантиоселективных неподвижных фаз толщиной 0,25 мкм были детально изучены возможности разделения энантиомерных форм ряда хлорированных дипропиловых эфиров [114]. Использованные неподвижные фазы представляли собой 50%-ные растворы производных р- и у-циклодекстринов в полисилоксане OV-1701. Изучавшиеся соединения являются побочными продуктами производства эпихлоргидрина и представляют собой важный фактор загрязнения водной среды в реке Эльба.

Хорошее разделение энантиомерных хлорированных дипропиловых эфиров было достигнуто при использованиии в составе неподвижных фаз гептакис-(6-О-трет.-бутилдиметилсилил-2,3- ди-О-метил)-Р-циклодекстрина [115], гептакис-(6-О-трет.-бу- тилдиметилсилил-2-О-метил-3-О-пентил)-Р-циклодекстрина [116] и октакис-(3-О-бутирил-2,6-ди-О-пентил)-у-цикло декстрина (коммерческое название Липодекс Е) [116].

Применение смешанной неподвижной фазы, в состав которой входит 40% полисилоксана OV-1701 и по 30% гептакис-(2,6- ди-О-метил-3-О-пентил)-Р-циклодекстрина и гептакис-(6-О-ме- тил-2,3-ди-О-пентил)-Р*циклодекстрина существенного улучшения в разделении энантиомеров хлорированных дипропиловых эфиров не дало [117, 118].

На основе данных описанного энантиомерного анализа эфиров, выделенных из водных проб вдоль по течению реки Эльба, было показано, что разрушение этих загрязняющих агентов в водной среде, по крайней мере частично, происходит по механизму энантиоселективной биодеградации с участием микроорганизмов. обитающих в пресных и солоноватых водах [117].

Таким образом, циклодекстриновые неподвижные фазы в настоящее время достаточно широко используются в капиллярной хроматографии. Нет сомнений, что уникальная стереоселективность этих материалов в сочетании с высокой эффективностью капиллярных колонок позволит в будущем получить новые важные результаты в этом интереснейшем направлении хроматографии.

ЛИТЕРАТУРА

!. Ettre L.S. Introduction to open tubular columns. Norwalk (Conn.); Perkin- Elmer, 1978.

Lynn T.R. Guide to stationary phases for gas chromatography. Hamden: Analabs, 1967.

Берчфилд Г., Сторрс Э. Газовая хроматография в биохимии. М.: Мир, 1964.

Король А.Н. Неподвижная фаза в газожидкостной хроматографии. Киев; Наук, думка, 1969.

Король А.Н. Неподвижные фазы в газожидкостной хроматографии: Справочник. М.: Химия, 1985.

Лурье А.А. Хроматографические материалы: Справочник. М.: Химия, 1972.

Ногаре Д., Джувет Р.С. Газожидкостная хроматография. Л.; Недра, 1968.

Литвинов Л.Д., Руденко Б.А. Газовая хроматография в медицине и биологии. М.: Медицина, 1971.

Руденко Б.А., Кучеров В.Ф., Потапова Л.Г. Н Жури. аналит. химии 1964. Т. 19, №8. С. 917.

Руденко Б.А., Илькова ЭЛ., Кучеров В.Ф., Керимова Н.И. //Там же. Т. 25, Ne 7. С. 1405-1408.

Vigh Су., Bartha A., HlavayJ. И J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1981. Vol. 4, N 1. P. 3-5.

Stark T.J., Larson P.A., Dandeneau RD. // J. Chromatogr. 1983. Vol. 279. P. 31-40.

Ramachandran S„ Reinbold B.L., Henty R.S. H Abstr. Pap. 29th Pittsburgh Conf. Anal. Chem,, Appl. Spectroscopy, Cleveland, Ohio, 1978. Manroevill, (Pa.), 1978. N 53.

Sandra P., Vers/appe M., Verzele M., Verzele J. H Abstr. Pap. Pittsburgh Conf. Anal. Chem., Appl. Spectroscopy, Atlantic City. N.J., 1980. Pittsburgh (Pa.), 1980. P. 199.

Higgins G.E. Ц Anal. Chem. 1981. Vol 53, N 4. P. 732-734.

Dhanesar S.C., Poole C.F. // J. Chromatogr. 1983. Vol. 267. P. 293-301.

Dhanesar S.C., Poole C.F. И Ibid. 1982. Vol. 253. P. 255-259.

Dhanesar S.C., Poole C.F. П Void. 1982. Vol. 252, N 1.P.91.

Laub R.J., Robert W.L., Smith C.A. H J- High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1980. Vol. 3, N 7. P. 355-356.

Janssen F„ Kalidin T. H J. Chromatogr. 1982. Vol. 235, N 2. P. 323-336.

Watabe K„ Suzuki Sh., Araki Sh J/ \bvd. 1980. Vol. 192. P. 89-94.

Watabe К., Hobo T., Suzuki Sh. // Ibid. 1981. Vol. 206. P. 223; 1982. Vol. 239. P. 499.

Watabe K„ Suzuki Sh., Araki Sh. // Nippon Kagaku Kaishi = J. Chem. Soc. Jap. 1980. N 4. P. 582-586.

Watabe K., Suzuki Sh„ Araki Sh. // Bunseki Kagaku = Jap. Analyst. 1980. Vol. 29, N 9. P. 575-579.

Watabe K„ Hobo T., Suzuki Sh. И L Chromatogr. 1981. Vol. 206. P. 223.

Watabe K., Hobo T„ Suzuki Sh. // Ibid. 1982. Vol. 249. P. 499-505.

Kartsova L.A., Stolyarov B.V. // Zh. Anal. Kbim. 1993. Vol. 48, N 4. P. 582.

Zhou X.C., Fu R„ Reng Z.R. et al. // J. Chromatogr. 1984. Vol. 662. P. 203.

Maczek A.O.S.. Phillips C.S.G. // Gas chromatography, 1960: Third Symp. GC, 8-10 June, i960, Edinburgh/Ed. R.P.W., Scott. L.: Inst. Petrol., 1960. P. G80. Рус. пер.: в кн,: Газовая хроматография: Тр. Ш Междунар, симпоз. по газовой хроматографии в Эдинбурге. М.: Мир. 1964. С. 377-382.

Lee W.K., Bethea R.M. // J. Gas Chromatogr. 1968. Vol. 6. P. 582.

Dr Corcia A., Samperi R., Sebastiani E„ Severini C. // Chromatographia. 1981. Vol. 14. P. 86.

Zoccolillo L„ Liberti A., Goretti G.C. // J. Chromatogr. 1969. Vol. 43. P. 497.

Marshall J.L., Parker D.A. H Ibid. 1976. Vol. 122. P. 425.

Dandenau R.D., Zeremer E.H. H Proc. 3rd Intern., Symp. on Glass Capill. Column Gas Chromatogr. Hindelang, 1979.

Sandra R., Verstappe M., Verzeie M. // J, High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1978. Vol. 1. P. 28.

Kettrup A., Nolte J., Riepe И7. // Fresenius Ztschr. anal. Chem. 1981. Bd. 307, N 1. P. 1-6.

Goretti G., Liberti A,, Pili G. // J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1978. Vol. 1. P. 143.

Verzele M„ Sandra P. et al. // Ibid. 1979. Vol. 2. P. 303.

HHvnab M„ Svcora-Cechova L„ Mueller-Aerne M. // Ibid. 1981. Vol. 4, N 7. P. 323-327.

Goretti G., Geraci F., Russo M.V. // Chromatographia. 1981. Vol. 14. P. 285.

Goretti G-, Liberti A., Russo M.V., Sachez J.L. ii J. Chromatogr. 1982. Vol. 245, N l.P. 109-116.

Moller B„ Hermann К. H Ibid. 1982. Vol. 241, N 2. P. 371-379.

Blaschke G„ Kraft H.-Р., Finkentscher K.. Koehlr F. И Arzneim-Forsch. 1979. Bd. 29. S. 1690.

Blaschke G., Kraft H.-P., Markgraf H. H Chem. Ber. 1980. Bd. 113. S. 2318.

Mathieu J., Panico R. Mdcanismes reactionnels en chimie organique. P.: Hermann, 1972. Рус. пер.: Курс теоретических основ органической химии. М.: Мир, 1975.

Потапов В.М. Стереохимия. М.: Химия, 1976.

Lochmuller С.Н„ Souter R.W. Н Chromatogr. Rev. 1975. Vol. 19. Р. 283.

Liu R.H., Ku 1V.IV. // Ibid. 1983. Vol. 271. P. 309.

Souter R.V. Chromatographic separation of stereoisomers. Boca Raton: CRC press, 1985.

Koppenhofer B., Bayer E, // Science of chromatography / Ed. F. Bruner, Amsterdam: Elsevier, 1985.

Konig ИСА. The practice of enantiomer separation by capillary gas chromatography, Heidelberg: Huttig, 1987.

Alienmark S.G. Chromatographic enantioseparation: Methods and applications. Chichester: Ellis Horwood, 1988.

Gil-Av E„ Feibush B., Charles-Sigler R. И Tetrahedron Lett. 1966. N 10. P. 1009.

Gil-Av E„ Feibush B. // Ibid. 1967. N 35. P. 3345.

Feibush B. // Chern. Commun. 1971. N 11. P. 544.

Charles R., Belter U., Feibush B., Gil-Av E. // J. Chromatogr. 1975. Vol. 112. P. 121.

Chang S.-С., Charles R., Gil-Av EJHbid. 1982. Vol. 235. P. 87.

Chang S.-С., Charles R„ Gil-Av E. H Ibid. Vol. 238. P. 29.

Lochmuller C.H., Souter R.W. //Ibid. 1974. Vol. 88. P. 41.

Oi N„ Doi T„ Kitahara H., Inda У. H Ibid. 1981. Voi. 208. P. 404.

Ci N., Horiba M., Kitahara H. И Agr. Biol. Chern. 1979. Vol. 43. P. 2403.

Oi N., Horiba M„ Kitahara HJI к Chromatogr. 1980. Vol. 202. P. 299.

Oi N., Horiba M.. Kitahara H. // Agr. Biol. Chern. 1981. Vol. 45. P. 1509.

Horiba M. Kida S„ Yamamoto S., Oi N. // Ibid. 1982. Vol. 46. P. 281.

OiN,, Kitahara H.Jnda Y„ DoiT. Hk Chromatogr. 1981. Vol. 213. P. 137.

Oi N., Kitahara H„ Inda Y„ Doi T. // Ibid. 1982. Vol. 237. P. 297.

Oi N., Doi T„ Kitahara H„ Inda У. // Ibid. 1982. Vol. 239. P. 493.

Oi N„ Kitahara H„ Dot T. // Ibid. 1983. Vol. 254. P. 282.

Oi N„ Takai R., Kitahara H. Ц Ibid. Vol. 256. P. 154.

Schurig V., Burble W„ Zlatkis A., Poole C. // Naturwissenschaften. 1980. Bd. 66. S. 423.

Schurig V. H Chromatographia. 1980. Vol. 13. P. 263.

Weber R„ Hintzer K., Schurig V. // Naturwissenschaften. 1980. Vol. 67.

S. 453.

Schurig V., Weber R. // J. Chromatogr. 1981. Vol. 217. P. 51.

Weber R., Schurig V. // Naturwissenschaften. 1981. Bd. 68. P. 330.

Schurig V., Burble IV. //J. Amer. Chern. Soc., 1982. Vol. 104. P. 7573.

6. Oi N„ Horiba M„ Kitahara H. et al. H J. Chromatogr. 1980. Vol. 202. P. 305.

OiN., Shiba K„ Tarui, et al.//Ibid. 1981. Vol. 211. P. 274.

Frank H„ Nicholson G., Baver E. H J. Chromatogr. Sci. 1977. Vol. 15. P. 174.

Frank H„ Nicholson G.. Bayer E. // Angew. Chern., 1978. Bd. 90. S. 396.

Saeed T., Sandra P., Verzeie M. // J. Chromatogr. 1979. Vol. 186. P. 611.

sV Saeed T., Sandra P., Verzeie M. H J. High Resoiut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1980. Vol. 3. P. 35.

Konig WA., Benecke I. H J. Chromatogr. 1981. Vol. 209. P. 91.

Konig WA„ Benecke I. H Ibid. Vol. 217. P. 71.

Konig И7.А.Г Benecke l„ Bretting H. // Angew. Chern. 1981. Bd. 93. S. 688.

Benecke L, Schmidt E.. Konig IV.A. И J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1981. Vol. 4. P. 553.

Koppenhoffer B., Allmendinger H„ Nicholson G. // Angew. Chem. 1985. Bd. 97. S. 46.

Koppenhoffer B., Allmendinger H. // Chromatographia. 1986. Vol. 21. P. 503.

Feibush B„ Gil-Av E. H Tetrahedron. 1970. Vol. 26. P. 1361.

Loshmuiler C.H., Harris J.M., Souter R.W. // J. Chromatogr. 1972. Vol. 71. P. 405.

Beitler U., Feibush B. // Ibid. 1976. Vol. 123. P. 149.

Koppenhoffer B., Bayer E, // Chromatographia. 1984. Vol. 19. P. 123.

Bayer E. HTx^chr. Naturforsch. 1983. Bd. 386. S. 1281.

Frank H,, Nicholson G.E., Bayer E, // J. Chromatogr. 1978. Vol. 146. P. 197.

Frank H., Rettenmeier A„ Weicker H. et al. //Anal. Chem. 1982. Vol. 54. P. 715.

Leavitt A.L., Sherman W.R. H Meth. Enzymol. 1982. Vol. 89. P. 3,

Weber R„ Schurig V. // Naturwissenschaften. 1981. Bd. 67. S. 453.

Kbnig W.A., Benecke L, Bretting H. H Angew. Chem. 1981. Bd. 93. S. 688.

Konig IV.A., Benecke L, Sievers S. H J. Chromatogr. 1982. Vol. 238, P. 427.

Kbnig W.A., Franke W„ Benecke I. // Ibid. Vol. 239. P. 227.

Kbnig Ю., Benecke L, Ernst K. // Ibid. Vol. 253. P. 267.

Kbnig WC4„ Benecke I. // Ibid. 1983. Vol. 269. P. 19.

Smoikova E., Kraiova H., Krysl S., Felte L. H Ibid. 1982. Vol. 241, N 1. P. 3-8.

ШЗ. Sybilska D„ Koscieiski TJi Ibid. 1983. Vol. 261. P. 357.

Koscieiski T,, Sybiiska D., Jurczak J. H Ibid. P. 131.

Kreis P., Mosandl А. H Flavor, Fragrance J. 1992. Vol. 7. P. 187-193.

Kreis P., Dietrich A.Juchelka D„ Mosandl А. H Pharm. Zia. Wiss. 1993, N5/6. S. 149-155.

Heuer IL, Braunsdorf R., Kreis P, et al. // Chem. Microbiol. Technol. Lebensmitt., 1992. Bd. 14. S. 129-133.

Casablanca H„ Graff J.B., Faugier V, et al. //J. High Resolut Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1998. Vol. 21. P. 107-112.

Kbnig IVA // Ibid. 1993. Vol. 16. P. 569- 586.

Schurig V., Schmalzing D.. Muehleck U. // Ibid. 1990. Vol. 13. P. 713.

Bicchi C., D’Amato A., Artuffo G. et al. // Ibid. 1995. Vol. 18. P. 49.

Bicchi C., D'Amato A,, Manzin V. et al. // Ibid. 1999. Vol. 22.

Bicchi C., Balbo C., D'Amato A., Manzin V. // Ibid. 1998. Vol. 21, N 2. P. 103-106.

Franke S., Meyer C., Specht M. et al. // Ibid. P. 113-120.

Dietrich A., Maas B., Messer IV. et al. // Ibid. 1992. Vol. 15. P. 590.

Konig W.A., Krebber R„ Mischnick P Ji Ibid. 1989. Vol. 12. P. 732.

Kbnig W.A., Icheln D., Runge I. et al. H Ibid. 1990. Vol. 13. P. 702.

Kbnig HA, Gehrcke B„ Icheln D. et al. // Ibid. 1992. Vol. 15. P. 184.

Глава 7

АППАРАТУРА ДЛЯ КАПИЛЛЯРНОЙХРОМАТОГРАФИИ

ОСОБЕННОСТИГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ,ПРИМЕНЯЕМОЙ ПРИ РАБОТЕ

С КАПИЛЛЯРНЫМИ КОЛОНКАМИ

Специфические особенности газохроматографической аппаратуры для работы с капиллярными колонками связаны с рядом отличий последних от обычных наполненных колонок. Такими особенностями являются крайне малые объемы допустимых проб, весьма незначительные значения расхода газа, проходящего через колонки, и высокие скорости изменения концентрации при элюировании передних и задних фронтов хроматографических пиков [I ].

Различия в требованиях к конструктивному оформлению хроматографического прибора при работе с обычными наполненными и капиллярными колонками можно пояснить с помощью следующего простого примера. Если время удерживания данного компонента принять равным Ю мин и постоянным для обоих типов колонок, то при эффективности наполненной колонки 2 тыс. т.т. ширина его пика на средней линии, выраженная в единицах времени, составит 32 сек. В случае капиллярной колонки с эффективностью 40 тыс. т.т. ширина пика будет равна лишь 7 сек. При скорости газа-носителя на выходе наполненной колонки 50 мл/мин объем газа, соответствующий найденной ширине пика, будет близок к Т1 мл. В случае капиллярной колонки, через которую проходит всего 1-2 мл/мин, за время выхода пика пройдет не более 0,5 мл. Если газовая линия, идущая, например, от колонки к детектору, имеет длину 100 мм и диаметр 2 мм, как в ряде существующих хроматографов, то ее объем, равный примерно 0,3 мл, по отношению к объему газа, соответствующего

ширине пика, составит лишь 1 % в случае наполненной колонки и почти 30% для капиллярной. Понятно, что наличие такой коммуникации не отразится заметным образом на эффективности разделения в первом случае и вызовет ее весьма существенное снижение во втором. Помимо этого, наличие таких паразитных объемов приводит к серьезному искажению формы пиков, нарушению их симметричности и появлению размытых задних фронтов (“хвостов”). Опыт эксплуатации капиллярных колонок показывает, что особенно неблагоприятно наличие паразитных объемов на выходе колонки, т.е. между колонкой и детектором. Были испытаны разнообразные приемы, направленные на устранение вредных последствий этого явления, связанных с наличием в конструкции хроматографа протяженных коммуникаций, соединяющих колонку с дозатором-испарителем и с детектором. Если по конструктивным соображениям нельзя непосредственно соединить капиллярную колонку с испарителем и детектором, то простейшим приемом является интенсивная вентиляция всех газовых полостей на пути движения анализируемой пробы вспомогательными газовыми потоками. Пути осуществления этого принципа при транспортировке пробы из зоны испарения до входа в колонку, а также на выходе из колонки показаны на рис. 50.

При использовании пламенно-ионизационного детектора вспомогательным газом может быть подаваемый в него водород или специальный поток негорючего газа. В случае аргонового или гелиевого ионизационных детекторов следует применять во вспомогательных потоках соответствующий инертный газ [I].

Все соединения капиллярных колонок между собой и с другими элементами прибора должны быть выполнены так, чтобы объем возникающих при этом полостей был бы минимальным. Ранее существовало мнение о том, что при соединении двух готовых капиллярных колонок эффективность полученной в результате этой операции более длинной колонки оказывается меньше, чем эффективность каждой из объединяемых колонок. Однако это не так, и при рациональной конструкции соединения, видимо, можно получить число теоретических тарелок удлиненной колонки, составляющее 80-90% суммы эффективностей каждого из объединяемых отрезков. Рациональные конструкции соединений показаны на рис. 51 и 52. Достижение успеха в этом случае облегчается, если внутренний диаметр соединительной детали равен внешнему диаметру соединяемых капилляров, а их концы аккуратно заточены так, что образуют плоские торцы, перпендикулярные оси капилляра.

Распространенные за рубежом соединительные детали “Свейджлок” показаны на рис. 52, 0, а на рис. 52, б-г представлены конструкции соединительных деталей для капиллярных коло-

Рис. 50. Вентилирование коммуникаций хроматографа

а - общая схема; б - при вводе пробы; в - на выходе из колонки

Рис. 51. Конструкции узлов соединения капиллярных колонок а - паяное соединение; б - резьбовое соединение

шш

нок отечественного производства [3,4]. Часто металлические капиллярные колонки можно соединять между собой и с коммуникациями прибора с помощью уплотняющих шайб из тефлона [5] или из силиконовой резины (рис. 52, а).

Более сложным является соединение капиллярных колонок из стекла. Недостаточная прочность стекла не позволяет применять в качестве уплотняющего материала фторопласт, а силиконовая резина часто не обеспечивает необходимой термической стабильности соединения. Поэтому при рабочей температуре выше 200-220°С применяют другие способы соединения, в частности, тонкие впаянные в стекло капилляры из платины или нержавеющей стали [6]. Для этой цели пригодны также и небольшие отрезки гибких кварцевых капилляров [7]. Для соединения стеклянных капиллярных колонок с выполненными из стекла коммуникациями хроматографа с успехом применяли расплавы солей хлористого серебра и хлористого таллия [8-10], обеспечивающие возможность работы до температуры около 400°С. Описано применение для присоединения стеклянных капиллярных колонок силиконовых и полиимидных клеев и замазок (например, силико- сет-151) [II]. Конструкция узла, допускающего присоединение к коммуникациям хроматографа стеклянной колонки без деформации ее концов, показана на рис. 52, е.

Наиболее совершенным является уплотнение соединений стеклянных колонок друг с другом или другими элементами аппаратуры с помощью уплотняющих втулок, выполненных из прессованного графита (рис. 53) [12]. Кроме того, широко применяются тонкие фторопластовые трубки с внутренним диаметром 1-2 мм.

Эти трубки обладают способностью сильно сжиматься при нагревании небольшим пламенем горелки или небольшим трубчатым электронагревателем, плотно обжимая соединяемые капилляры и коммуникации хроматографа [13].

Конфигурация капиллярной колонки определяется конструкцией хроматографа. Металлическим капиллярам до нанесения неподвижной жидкой фазы или после этой операции может быть придана любая форма в соответствии с конструктивными особенностями термостата хроматографа или другими специальными требованиями. Капилляры, смотанные в плотную “бухту” или моток (рис. 54, а), очень компактны и могут быть размещены в очень миниатюрном термостате.

Однако такой плотный моток медленно прогревается, что удлиняет время установления режима хроматографа и затрудняет применение программирования температуры. Намотанные на плоские или цилиндрические каркасы в один или несколько слоев капилляры более громоздки, требуют термостат больших разме-

Рис. 52. Соединительные детали для капиллярных колонока - соединение с резиновыми или фторопластовыми шайбами: б - соединение хроматографа *‘Цвет-4”; в - соединение хроматографа ЛХМ-8МД; г - соединение хроматографа “Биохром-1" (С КБ И ОХ АН СССР) по ГОСТ 16285-74; д - соединение “Свейджлок”; г - присоединение стеклянной коРис. 52. Соединительные детали для капиллярных колонока - соединение с резиновыми или фторопластовыми шайбами: б - соединение хроматографа *‘Цвет-4”; в - соединение хроматографа ЛХМ-8МД; г - соединение хроматографа “Биохром-1" (С КБ И ОХ АН СССР) по ГОСТ 16285-74; д - соединение “Свейджлок”; г - присоединение стеклянной колонки без деформации ее концов

Рис. 52. Соединительные детали для капиллярных колонок

а - соединение с резиновыми или фторопластовыми шайбами: б - соединение хроматографа *‘Цвет-4”; в - соединение хроматографа ЛХМ-8МД; г - соединение хроматографа “Биохром-1" (С КБ И ОХ АН СССР) по ГОСТ 16285-74; д - соединение “Свейджлок”; г - присоединение стеклянной ко

Рис. 52. Соединительные детали для капиллярных колонок

а - соединение с резиновыми или фторопластовыми шайбами: б - соединение хроматографа *‘Цвет-4”; в - соединение хроматографа ЛХМ-8МД; г - соединение хроматографа “Биохром-1" (С КБ И ОХ АН СССР) по ГОСТ 16285-74; д - соединение “Свейджлок”; г - присоединение стеклянной ко

ров и занимают много места при хранении [14, 15], однако удобны при нанесении жидкой фазы динамическим способом и быстро прогреваются (рис. 54, б и в). Удобен каркас для металлических капилляров, применяемый в лаборатории автора, достаточно компактный и обеспечивающий быстрый прогрев капилляра до

Рис. 53. Соединение стеклянных колонок с графитовыми уплотнителями

/ - графитовое уплотнение; 2 - упорное кольцо; 3 - накидная гайка; 4 - соединительный штуцер

Рис. 54. Конфигурации металлических капиллярных колонок о - "бухта”; б - цилиндр; в - плоская катушка; г - кассета-книга

желаемой температуры. При хранении такие каркасы с капиллярными колонками ставят на полку, как книги (рис. 54. г).

В большинстве случаев капиллярная колонка представляет собой трубку круглого сечения с внутренним диаметром 0,05-1,5 мм и длиной от 3-5 до 300-400 м и более. Известны капиллярные колонки и иной конфигурации. В настоящее время такие колонки применяются лишь в редких случаях, однако нельзя исключить, что они найдут более широкое применение в будущем.

Так, описана капиллярная колонка, канал которой образован двумя плотно сжатыми металлическими дисками, на каждом из ко-

торых выполнена спиральная канавка прямоугольного или трапецеидального сечения глубиной 0,2-0,4 мм и шириной 0,3-0.5 мм. Шаг спирали может составлять 0,3-1,0 мм. На стенки такой спиральной канавки наносится неподвижная жидкая фаза или твердый адсорбент. Между дисками находится уплотняющая прокладка, обеспечивающая герметичность двух спиральных капиллярных каналов [16]. Эксперименты, проведенные в лаборатории автора, показали, что при всей привлекательности такой идеи достичь полной герметичности путем стягивания дисков болтами достаточно затруднительно. Более удачная конструкция капиллярной колонки состоит из двух дисков из нержавеющей стали или иного металла, соединенных контактной сваркой. При этом на одном из дисков выполнена спиральная канавка, на стенки которой нанесена неподвижная жидкая фаза или твердый адсорбент (рис. 55) [17]. Достаточно термостойкие адсорбенты и твердые носители могут быть нанесены на стенки канавки до сварки дисков, а менее термостойкие неподвижные фазы, как, например, полисилоксаны, могут быть нанесены после сварки дисков статическим или динамическим способом, как описано в гл. 5. Капиллярные колонки такого типа, предназначенные для работы при низких температурах (до 100°С), по-видимому, могли бы быть выполнены из пластмассы, однако такая возможность пока никем не реализована.

Интересным вариантом подобной капиллярной колонки является система, описанная в работе [18], где спиральный канал был образован путем свертывания в рулон двух металлических лент разной ширины. Применяя в качестве адсорбента в такой капиллярной колонке длиной 10 м графитированную сажу, авторам удалось осуществить разделение ряда углеводородов с эффективностью в несколько тысяч теоретических тарелок [19].

По-видимому, перспективно применение капиллярных колонок, приготовленных путем свертывания в рулон тонких пластмассовых или металлических лент с нанесенными на них зернистыми адсорбентами или твердыми носителями, содержащими соответствующую неподвижную жидкую фазу. Торцы такого рулона могут быть герметизированы какой-либо твердеющей полимерной композицией (эпоксидной смолой, силиконовой замазкой и др.). Поперечный размер такой колонки будет близок к величине зерна применяемого сорбента. Проведенные в лаборатории автора первые опыты с такой колонкой показали перспективность такого подхода [20].

В технологии изготовления стеклянных капиллярных колонок привлекают внимание так называемые поликапиллярные колонки. Эти колонки, которые было бы правильнее называть многоканальными, представляют собой стеклянные стержни

Рис. 55. Геометрический профиль планарной колонки

/ - верхняя пластина; 2 - неподвижная фаза; 5 - диффузионная сварка; 4 - нижняя пластина

длиной 0,2-1,0 м прямой или изогнутой формы, пронизанные по длине несколькими сотнями или тысячами капиллярных каналов диаметром 10-100 мкм (рис. 55) [21, 22]. Идея создания высокоэффективной колонки в виде пучка тонких капилляров, сочетающей высокую эффективность с возможностью анализа проб большего объема, чем допускает единичный капилляр, была высказана впервые Голеем [23], но долго не находила своего воплощения вследствие технических трудностей изготовления. Эти трудности удалось преодолеть авторам работ [2], 22]. Колонки такого типа изготавливают путем многократного вытягивания заготовок, собранных из пучка стеклянных трубок, заключенных во внешнюю стеклянную трубку - оболочку большего диаметра. При этом важно, чтобы стекло, из которого сделана оболочка, размягчалось бы при несколько более низкой температуре, чем внутренние стеклянные трубки. Так, например, если заполняющие внутренние трубки сделаны из стекла С87-2 с температурой размягчения 500°С, то трубку-оболочку следует выполнить из стекла МКО-108 с температурой размягчения 480°С. Трубки, из которых будут образованы капилляры, помещают в оболочку, перемежая их с более тонкими палочками из более легкоплавкого стекла, нужными для того, чтобы заполнить каналы, которые могли бы образоваться между внешними стенками круглых трубок. После вытягивания поликапиллярной колонки на ее внутренние стенки наносят неподвижную фазу, причем особое внимание при этом уделяют обеспечению одинакового времени удерживания разделяемых веществ на всех капиллярах данной колон-

ки [22]. Очень тщательно отработанная технология производства позволяет получать стеклянные поликапиллярные заготовки, отдельные капилляры в которых различаются по диаметру не более, чем на 1%. Чаще эти различия составляют 3-5%, что приводит к серьезному ухудшению разделяющей способности готовых колонок. Показано, что эффективность поликапиллярной колонки Нр выражается следующим уравнением

Hp = H0*S?sL, 0-3}

где Но - эффективность отдельного капилляра в пучке; Д'; - дисперсия распределения диаметров капилляров; a L - длина поликапиллярной колонки. Из этого соотношения следует, что рост эффективности поликапиллярной колонки с увеличением ее длины быстро замедляется. Практика эксплуатации таких колонок показала, что увеличение ее длины сверх 1,0-1,5 м не дает сколько- нибудь заметного увеличения эффективности. Однако даже при длине 0,2-0,5 м такие колонки имеют интересные аналитические возможности.

Суммарное сечение всех капилляров поликапиллярной колонки, имеющей, например, 1000 каналов диаметром 30 мкм, составляет примерно 1 мм2, что соответствует размерам макрокапилляр- ной колонки и позволяет вводить пробы в 10 раз большие, чем обычные капиллярные колонки диаметром 0,3 мм. В то же время эффективность единичной капиллярной колонки диаметром 0,03 мм будет согласно уравнению Голея [23] по крайней мере в несколько раз выше, чем эффективность колонки диаметром 0,3 мм. Это обстоятельство существенно облегчает анализ проб большого объема и позволяет увеличить полную чувствительность хроматографической системы, т.е. уменьшить предельно определяемые концентрации малых примесей. В то же время поликапилляр- ная колонка длиной 0,2—1,0 м обеспечивает очень высокую скорость анализа, так что даже при весьма умеренных температурах анализ, например, смеси углеводородов С6-Ст может быть проведен всего за 20-60 сек [25]. Такое сочетание свойств и определило сферу применения поликапиллярных многоканальных колонок: экспресс-анализы в полевых условиях с использованием переносных газохроматографических приборов с целью обнаружения высокотоксичных загрязнений окружающей среды, взрывчатых веществ, наркотиков и т.п. [26, 27]. Будучи, несомненно, высокоэффективной колонкой, позволяющей получить при длине 0,2-0.6 м эффективность в три-пять тыс. т.т., поликапиллярная колонка представляет собой, по-существу, наполненную колонку с упорядоченной насадкой, что и обеспечивает малое сопротивление по-

Рис. 56. Поликапиллярная колонка

току газа-носителя и, как следствие, высокую скорость газо-хроматографического анализа (рис. 56).

Однако при несомненной полезности поликапиллярных колонок для целей экспресс-анализа и полевых анализаторов, они имеют органически присущие им принципиальные ограничения эффективности, не превышающей эффективности хороших наполненных колонок.

При работе с капиллярными колонками приобретает особое значение качество и объем всех соединительных коммуникаций хроматографов. Наиболее распространенным материалом для их изготовления является нержавеющая сталь. Однако были испытаны и другие материалы, в частности, благородные металлы. Трубки из золота, платины и сплавов золота с платиной и платины с иридием длиной до 40 м и диаметром 0,3 мм были испытаны в качестве материалов для изготовления собственно капиллярных колонок, а трубки из платины и платино-иридиевого сплава длиной до 0.5 м и диаметром 0,85 мм были испытаны в качестве материалов для газовых коммуникаций хроматографа [28]. Проведенные испытания показали, что даже столь дорогостоящие материалы в целом оказываются хуже по своей адсорбционной активности, чем пассивированные стеклянные капилляры.

При работе со стеклянными капиллярными колонками значительную помощь оказывает использование нержавеющих трубок со стенками, футерованными изнутри стеклом (рис. 57) 129]. Такие

Рис. 57. Стальные трубки со стеклянной футеровкой

1 - сталь; 2 - стекло

трубки легко сгибаются без повреждения слоя стекла при нагреве в пламени газовой горелки до темнокрасного каления. При этом им может быть придана любая желаемая конфигурация. В этом случае соединение стеклянной капиллярной колонки с коммуникациями хроматографа может быть выполнено без изменения ее формы (см. рис. 52е), а сама она может быть заключена в защитный каркас, надежно предохраняющий ее от повреждений (рис. 58). Рациональные конструкции таких кассет описаны Кайзером [30] и Куком [31]. В то же время имеют место определенные опасения о возможности поломок стеклянных и кварцевых капиллярных колонок в металлических кассетах, поставляемых производителями капиллярных колонок. Так, в работе [32] рекомендуется извлекать получаемые от производителей кварцевые колонки из металлических кассет и для сохранения их формы связывать их термостойкими нитями. например, из стеклянной или кварцевой пряжи.

Часто, однако, приходится до установки стеклянной капиллярной колонки в хроматограф изменять конфигурацию ее концов на длине 100-200 мм, выпрямляя их и затем изгибая нужным образом. Эту операцию легко выполнить, размягчая конец капилляра в диффузном пламени газовой горелки и предоставляя ему выпрямиться под действием силы тяжести (рис. 59). При небольшом навыке эта операция осуществляется без особого труда. В то же время описаны довольно многочисленные конструкции приспособлений для выпрямления концов стеклянных капиллярных колонок с небольшими электрическими нагревателями [33-36].

Очень малые расходы газа-носителя напосредственно в капиллярной колонке предъявляют повышенные требования ко всем соединительным деталям, используемым для соединения колонки с испарителем и с детектором. Это имеет особо важное значение в тех случаях, когда в хроматографе используют более.

Рис. 58. Металлическая кассета для стеклянной капиллярной колонкиРис. 58. Металлическая кассета для стеклянной капиллярной колонкиРис. 59. Выпрямление концов стеклянной капиллярной колонки над пламенем газовой горелки

Рис. 58. Металлическая кассета для стеклянной капиллярной колонки

Рис. 58. Металлическая кассета для стеклянной капиллярной колонки

чем один детектор, например, неселективный пламенно-ионизационный и селективный термоионный азотно-фосфорный или электронно-захватный детектор.

Так, в работе [37] подробно описана техника изготовления миниатюрных тройников для деления потоков на выходе стеклянной капиллярной колонки размером 20 м х 0,25 мм с полиэтилеиглико-

лем Карбовакс 20М при анализе смесей углеводородов С|2—С|7. Сходные цельностеклянные тройники и делители потока описаны также Мюллером и Уолтером [38]. Рациональная конструкция делителя потока для соединения капиллярной колонки с двумя детекторами приведена и в работе [39]. В этой работе пучек из трех кварцевых капилляров вклеивали полиимидным высокотемпературным клеем (компания “Alltech”, США, [40]) в тонкую стеклянную трубку с запаянным концом. Вся конструкция имела диаметр всего 2,2 мм и длину около 7 мм. Сходные конструкции делителей газового потока описаны также в работах [41^4]. О применении миниатюрных коммерчески доступных делителей потока сообщается в работе [45]. Миниатюрный делитель потока, установленный перед капиллярной колонкой и направляющий часть введенной пробы метиловых эфиров жирных кислот в реактор для гидрирования, описан в работе [46], а в сообщении [47] приведена конструкция переходника, используемого в системе для анализа равновесного пара и собранного из готовых втулок и резьбовых деталей по типу известного набора деталей “Свейджлок”

Описаны и другие конструкции разъемных узлов, предназначенных для присоединения стеклянных и кварцевых капиллярных колонок к коммуникациям хроматографов. Обычно при этом используют соединительные втулки, изготовленные из мягких металлов или из графита [48].

УСТРОЙСТВА ДЛЯ ВВОДА ПРОБВ КАПИЛЛЯРНЫЕ КОЛОНКИ

(7-4)(7-4)Для обеспечения высокой эффективности разделения в капиллярных колонках важное значение имеет ширина начальной зоны вводимой пробы. В идеальном случае распределение концентраций всех компонентов в пробе, вводимой в колонку, должно было бы соответствовать 6-функции - бесконечно узкой зоне с бесконечно высокой концентрацией. Однако конечное время процесса ввода пробы, хотя и очень малое, приводит к тому, что начальная хроматографическая зона имеет некоторую конечную ширину, а ее концентрация не превышает мольной концентрации вводимого вещества в его чистом паре. Поэтому для обеспечения высокой эффективности разделения необходимо, чтобы количество вещества во вводимой пробе ms было бы таким, которое отвечало бы сорбционной емкости одной теоретической тарелки, т.е. было бы равно

(7-4)

(7-4)

= хД1 + k,giX

где х, - мольная концентрация вещества в его насыщенном паре; к, - отношение распределения вещества; a g, = GJn - количество неподвижной фазы, приходящееся на одну теоретическую тарелку при общей эффективности колонки п. Малое количество неподвижной фазы в капиллярных колонках отвечает их малой сорбционной емкости, что определяет предельно допустимую величину вводимых проб, равную 0,001-0,005 мг. Это соответствует объему примерно 0,001^0,005 мм3 жидкостей или менее 0,1 мм3 газов или паров. Надежных, хорошо апробированных и воспроизводимых способов измерения и ввода в колонку хроматографа столь малых количеств веществ пока не существует. Поэтому в практике капиллярной хроматографии применяются методы дозирования, при которых дозирующие устройства отмеряют в 100-1000 раз большие количества веществ, а затем уже введенная в хроматограф проба разделяется тем или иным способом в отношении 1/10-1/1000, и лишь меньшая часть направляется в капиллярную колонку.

Как в любой другой газохроматографической системе, высокие результаты при разделении компонентов методом капиллярной хроматографии могут быть получены лишь в том случае, если в процессе дозирования обеспечиваются общие требования, сформулированные ниже.

В колонку анализируемая смесь должна поступать в виде как можно более резко отграниченной зоны паров, имеющих возможно большую концентрацию. Вводимые вещества до поступления в колонку должны быть полностью переведены в парообразное состояние и равномерно смешаны с возможно меньшим количеством газа-носителя (поскольку полностью исключить такое перемешивание не удается). Поэтому между точкой ввода пробы в дозирующее устройство и точкой ее поступления в колонку проба должна проходить путь, минимально необходимый для испарения жидких продуктов и полной гомогенизации парогазовой смеси в потоке. С другой стороны, движение вводимой пробы до поступления в колонку и объем соответствующих газовых коммуникаций не должны вызывать заметного размывания начальной зоны, оказывающего отрицательное влияние на разделение компонентов. Температура узла ввода должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить очень быстрое испарение пробы. В то же время должны быть исключены нежелательные процессы пиролитического разложения каких-либо компонентов анализируемой смеси или иные их химические превращения.

Существенным требованием к системе для ввода проб должно быть предотвращение диффузии паров пробы в газоподводящие коммуникации, особенно, если они не обогреваются. Проникнове-

ние пара в них вследствие диффузии или в результате толчков при резком увеличении давления в испарителе приводит к тому, что вводимая зона оказывается сильно растянутой. Вследствие этого пики отдельных компонентов будут иметь растянутые задние фронты (“хвосты”), ухудшающие разделение и затрудняющие получение точных количественных результатов анализа.

Наиболее распространенным методом ввода проб в капиллярные колонки является дозирование с делением потока или дозирование с динамическим делением пробы. При этом пробу вво-

Рис. 60. Схема ввода проб в капиллярную колонку с делением потока

дят в движущийся газовый поток, который затем разделяется в требуемом соотношении с помощью пневмосопротивления, включаемого параллельно колонке [52]. Ввод исходного количества вещества осуществляется теми же приемами и с помощью таких же устройств, как и в случае газовой хроматографии на наполненных колонках.

Принципиальная схема этого метода изображена на рис. 60. Давления Р: и Ро на входе и выходе колонки Rc и пневмосопротивления Rd одинаковы, поэтому, как и в случае протекания электрического тока через параллельно соединенные проводники, количества газа Fc и Fd, направляющиеся в колонку и в линию сброса через пневмосопротивление, будут прямо пропорциональны проницаемости этих элементов. В том случае, если оба они являются отрезками капилляра, имеющими неодинаковые сечения, из формулы (3-7) следует:

A = (7-5)

^d V? J

т.е. коэффициент деления потока прямо пропорционален отношению длин капиллярных трубок и обратно пропорционален четвертой степени отношения их диаметров. В том же отношении разделится и проба Д^, введенная в газовый поток.

Идеальный делитель потока должен обеспечить деление вводимой пробы в заданном отношении при любых изменениях давления на его входе и выходе. При этом все компоненты пробы должны быть разделены в одном и том же отношении, независи-

мо от их природы, т.е. качественный и количественный состав части пробы, вошедшей в капиллярную колонку, должен быть точно таким же, как и состав всей пробы, вводимой в испаритель. Это означает, что относительные значения площади пиков, найденные для данной смеси в хроматографическом опыте с тем же детектором, но без делителя, должны быть точно такими же, как и при его наличии. При этом площадь данного пика должна оставаться пропорциональной концентрации соответствующего компонента даже при изменении таких параметров опыта, как температура испарителя и колонки, давление и скорость газа, коэффициент деления потока и т.п. Делитель потока, удовлетворяющий перечисленным выше условиям, называют линейным.

Чтобы с полной надежностью удостовериться в линейности применяемого делителя, необходимо провести серию анализов смесей компонентов, различающихся по температуре кипения на 100-200°С. Состав смесей должен быть известен, и концентрации компонентов должны различаться, по крайней мере, на один порядок величины. Сохранение постоянства градуировочных коэффициентов компонентов этих смесей при разных скоростях газа и температурах испарителя и колонки может являться критерием линейности делителя потока.

Понятно, что линейная характеристика делителя потока существенно облегчает количественный анализ с использованием капиллярных колонок. Для обеспечения линейности деления вводимая проба вначале должна полностью испариться и гомогенная паро-газовая смесь должна быть затем разделена в заданном отношении. Поэтому во многих случаях делитель потока конструктивно объединяется с обогреваемым дозатором-испарителем. Простейшие схемы делителей такого типа представлены на рис. 61 я и б. Эксперименты различных исследователей показали, что эти варианты конструкции делителей потока не обеспечивают высокой эффективности хроматографического разделения и достаточной воспроизводимости результатов количественного анализа. По-видимому, это можно связать с наличием возмущений газового потока при резком изменении направления течения газа.

Более удачная конструкция делителя изображена на рис. 61 в. В ряде работ [53-55] показано, что такой делитель обеспечивает пропорциональное деление всех компонентов вводимой смеси, значительно различающихся по концентрации и по температуре кипения. В этих исследованиях было установлено, что при увеличении объема вводимой пробы жидкостей от 0,1 до 20 мкл и изменении коэффициента деления потока от 1/113 до 1/1200 не происходило искажения количественных результатов анализа. Соотношение газовых потоков, проходящих через вспомогательный ка-

Рис. 61. Делители потока для капиллярной хроматографии

я - осевой; б - боковой; в - с обращением потока; г - с невозмущенным потоком; д - с обращением потока после его разделения; 1 - вход газа-носителя; 2 - сброс газа в атмосферу; 3 - газ-носитель с пробой, направляемый в колонку

нал делителя и направляемых в колонку, сохранялось постоянным при изменении давления на входе от 0,7 до 2 кг/см2. Вводимые пробы содержали смеси нормальных углеводородов от Ск до С,6 или смеси бензола и о- ксилола. Для этих измерений к вспомогательному каналу делителя присоединяли наполненную колонку с детектором

по теплопроводности. Отделенная малая часть пробы направлялась в капиллярную колонку длиной 150 м с пламенно-ионизационным детектором. Полученные в этих опытах результаты показали, что делитель потока, показанный на рис. 61в, не вызывает искажений количественных результатов при вводе проб, различающихся по температуре кипения по крайней мере на 150-160°С (126°С для н-октана и 288°С для гексадекана).

Удачной конструкцией делителя потока является вариант, показанный на рис, 61г [56]. Его авторы считают, что вследствие более благоприятного распределения скоростей потока в точке деления в этой конструкции снижается возможность изменения состава направляемой в колонку части пробы, Кларк [57] предложил конструкцию (рис. 6Id), в которой вероятность возмущений газового потока и обратной диффузии паров пробы еще более снижена.

Опыт эксплуатации дозаторов с делителями потока различной конструкции позволил сформулировать ряд условий, обеспечивающих постоянный коэффициент деления и достаточно надежные результаты определения количественного состава анализируемых смесей [58], Отмечается, что при использовании устройств для ввода проб в капиллярные колонки с делителями газового потока нужно придерживаться следующих правил: (1) не следует в ходе анализа изменять установленное вначале соотно-

шение потоков; (2) при вводе проб температура колонки должна быть постоянной; (3) для получения точных количественных результатов следует вводить пробы постоянного объема; (4) пробы градуировочных смесей (внешний стандарт) следует вводить в хроматограф при той же температуре и в том же растворителе, что и рабочие пробы.

При выводе уравнения (7-1) предполагалось, что вязкость газа в обоих каналах делителя потока остается постоянной. Нарушение этого условия при неравномерном испарении веществ, входящих в состав многокомпонентной пробы, может приводить к нарушению постоянного соотношения потоков в делителе и к искажению количественных результатов. Для того чтобы исключить возможность таких явлений, необходимо, чтобы во все время пребывания разделяемой пробы в испарителе прибора вязкость газа, протекающего через пневмосопротивление делителя, была постоянна.

При расходе газа через колонку около 1 мл/мин, что является обычным для капилляров диаметром 0,25-0,30 мм, и коэффициенте деления потока 1/200 количество газа, протекающее через испаритель, составит примерно 200 мл/мин. Считая, что концентрация паров пробы в газе, проходящем через испаритель, меняется по экспоненциальному закону, а объем испарителя и коммуникаций до входа в колонку равен приблизительно 1 мл, время пребывания пробы в нем составляет примерно 2-3 сек. За это время через испаритель пройдет около 10 мл газа-носителя. Если между точкой входа пробы в колонку и пневмосопротивлением делителя установить емкость такого объема, то за время ввода пробы через сопротивление будет проходить только чистый газ-носитель и какие-либо искажения коэффициента деления, связанные с изменением вязкости проходящего газа, будут отсутствовать. Этот принцип с успехом используется в конструкции современных хроматографов, предназначенных для работы с капиллярными колонками (рис. 62), При этом указанные емкости конструктивно могут быть оформлены в виде цилиндрического баллона с небольшим отношением высоты к диаметру (от двух до четырех как на рис. 62) или в форме трубки соответствующей длины.

При конструировании испарителей, предназначенных для дозирования разделяемых веществ с помощью микрошприца с последующим делением газового потока, должно уделяться особое внимание предотвращению проникновения паров вводимой пробы в газовые коммуникации. Это явление, резко ухудшающее разделение, может происходить в результате диффузии или вследствие местного повышения давления при мгновенном испа-

рении вводимой пробы. В конструкции узла ввода проб, показанной на рис. 63, для предотвращения таких явлений вводная трубка дозатора имеет весьма малый диаметр, так что при вводе пробы между ее стенками и иглой микро шприца остается зазор шириной лишь 0,2-0,3 мм [59]. Это приводит к значительному повышению скорости газа в зазоре, что исключает возможность проникновения паров пробы в газоподводящую линию. Эта конструкция иллюстрирует также еще одну важную особенность устройств для дозирования с делением потока. Даже при использовании колонок диаметром 0,2-0,3 мм при больших коэффициентах деления потока 1/100—1/200 расход газа-носителя в капиллярном хроматографе составляет 0,2-0,5 л/мин, т.е. приближается к уровню потребления газа-носителя в крупномасштабной препаративной хроматографии. Такое количество газа обусловливает необходимость его предварительного подогрева, что обычно осуществляется в канале достаточной длины, высверленном в нагреваемом металлическом корпусе дозатора-испарителя. Однако для этой цели применяют также отдельный подогреватель с регулируемой температурой [60].

В качестве пневматических сопротивлений, обеспечивающих требуемый коэффициент деления потока, применяют запорные и регулировочные вентили разнообразной конструкции, отрезки капиллярных трубок того же диаметра, что и применяемая колонка, и в 100-1000 раз меньшей длины, иглы для инъекций и т.п. Часто устанавливают, кроме пневмосопротивления, также и запорный клапан, позволяющий направлять газ к пневмосопротивлению только в период ввода пробы. Так как между моментами ввода проб расход газа-носителя весьма незначителен, таким путем достигают экономии большого его количества. В настоящее время такой прием применяется редко, так как его использование сопряжено с некоторыми изменениями режима капиллярной колонки, искажающими хроматограмму.

Тем не менее, этот прием может быть полезен при работе с дорогостоящими газами, например, с неоном, высокочистыми гелием, азотом или аргоном. При использовании в качестве пневмосопротивлений отрезков капилляра с тем же диаметром, что и применяемая колонка, коэффициент деления потока с точностью до нескольких относительных процентов равен отношению длин колонки и применяемого в делителе отрезка капилляра. Поэтому измерение расхода газа, проходящего через колонку и через пневмосопротивление делителя не является обязательным. При использовании регулировочных вентилей или капилляров другого диаметра для оценки коэффициента деления потока необходимо измерять расходы газа на выходе колонки и на выходе

Рис. 62. Испаритель с делителем потока, снабженный дополнительной цилиндрической емкостью

/ - колонка; 2 - вход газа-носителя; 5 - нагреватель; 4 - мембрана для ввода проб; 5 - смеситель; 6 - пневмосопротивление; 7 - буферный объем

пневмосопротивления. При этом очень малые значения расходов газа на выходе капиллярной колонки (0,1-10 мл/мин) требуют использования расходомеров с мыльной пленкой, имеющих очень малый диаметр измерительной трубки (1-2 мм). Можно также непосредственно измерять расход, собирая выходящий из колонки за определенное время газ в заполненную водой градуированную пробирку.

Одна из наиболее удачных схем узла ввода пробы с делением газового потока изображена на рис. 64п [61 ]. В этой конструкции в точке ввода пробы поддерживается постоянный расход газа-носителя. В том сечении, где часть пробы поступает в капиллярную колонку, устанавливается постоянное давление с помощью вспомогательного газового потока.

При изменении расхода на входе в дозатор меняется коэффициент деления пробы без изменения входного давления в колонке, т.е. при постоянстве условий разделения в колонке и времен удерживания разделяемых веществ.

Для обеспечения мягких условий испарения и полного смешения с газом-носителем проба вводится в небольшую стеклянную колонку длиной 5-7 см и диаметром 4 мм, заполненную инертным наполнителем, например силанизированными стеклянными шариками. Такая система обеспечивает строго линейное деление пробы в отношении от 1 : 10 до 1: 200 с одним и тем же сопроти-

Рис. 63. Испаритель капиллярного хроматографа с малым зазором для прохода газа при вводе проб и с запорным вентилем на линии сброса

/ - колонка; 2 - запорный вентиль; 3 - пневмосопротивление; V - точка деления потока; 5 - обогреваемый металлический блок

влением на выходе. Мягкие условия испарения обеспечивают возможность применения такого испарителя при анализе стероидных соединений и других биологически активных и химически неустойчивых продуктов.

При больших различиях в температурах кипения компонентов вводимых проб и при неудачных конструкциях дозаторов-испарителей наблюдаются искажения относительного содержания отдельных компонентов с потерей части наиболее летучих или, наоборот, наиболее тяжелых соединений [63-68]. Это явление было названо “дискриминацией”, соответственно, легких или тяжелых компонентов. Многочисленные исследователи затратили значительные усилия для выяснения причин этого явления и выработки способов его устранения. Детальное исследование [69] включало сопоставление эффективности работы дозаторов-испарителей с делителями потока при разных конструкциях самого испаряющего элемента. Этот элемент представлял собой стеклянную трубку диаметром 3 мм и длиной около 50 мм, которая могла быть пустой или могла содержать стеклянную или кварцевую вату для создания большей поверхности испарения. Вариантами конструкции были трубки с сужениями (наколками) на стенках, на которые по-

Рис. 64. Конструкция узла ввода проб с переменным соотношением газовых потоков

/ - пневмосопротивление; 2 - соединительные трубки; 3 - капиллярная колонка; 4 - форколонка; 5 - пружина; б - обогреваемый корпус испарителя; 7 - регулятор давления газа-носителя; 8 - регулятор расхода газа-носителя; 9 - инертный наполнитель форколонки

мещали стеклянный шарик несколько меньшего диаметра, чем сама трубка. Такие испаряющие элементы могли также иметь небольшие боковые отверстия ниже шарика (диаметром около 1 мм), через которые поступала часть газа-носителя (рис. 65). Все стеклянные части испарителя, в том числе шарики и стекловату, дезактивировали путем силанизации во избежании нежелательных каталитических изменений каких-либо компонентов пробы. Возможности таких явлений и пути их устранения были рассмотрены в работе [63] на примере газохроматографического анализа 2-этилгексанола, очень легко подвергающегося дегидратации. В работе [62] было показано, что при вводе проб с помощью мик-

рошприцев явление дискриминации отдельных компонентов вводимых проб проявляется в наименьшей степени, если перед забором пробы в шприц набирают небольшое количество чистого легколетучего растворителя (ввод проб “с выбросом растворителя”) и применяют испаряющий элемент с шариком и дезактивированной стекловатой, имеющий отверстия для дополнительного газового потока (рис. 65). Было установлено, что время испарения проб объемом около 1 мкл в таком испарителе при температуре 250-270 °C составляет 1-2 сек. При этом оптимальным способом ввода проб авторы этой работы считают следующую последовательность операций: перекрыть поток газа, идущего на сброс в атмосферу, позволить стабилизоваться давлению (около 10 сек), ввести пробу и через 1-2 сек вновь открыть линию сброса.

Хотя системы ввода проб в капиллярные колонки с делением газовых потоков распространены достаточно широко, в ряде случаев при их применении не исключается возможность нарушения исходного соотношения концентраций компонентов в анализируемых объектах, особенно в тех случаях, когда в их состав входят вещества с сильно различающимися температурами кипения. Такими объектами оказываются, например, нефтяные фракции, эфирные масла и т.п. Примерами исследований, в которых изучалось это явление, могут быть работы [64-68].

В рассмотренных выше устройствах для ввода проб в капиллярные колонки используется метод дозирования с делением в заданном соотношении потока газа, содержащего пары подлежащих разделению компонентов. Возможен и другой принцип дозирования малого количества вещества в капиллярную колонку: пробу вначале полностью испаряют в предварительно эвакуированной камере, после чего малый объем образовавшегося пара переводят в капиллярную колонку. На этом принципе основаны многочисленные устройства, описанные и запатентованные во многих странах мира. Хотя в настоящее время этот метод распространен относительно мало, он может приобрести значительно большее значение в будущем.

Принцип метода хорошо иллюстрирует одно из первых устройств подобного рода [69, 70], описанное Фейешем. Энгельгар- том и Шаем (рис. 66). С помощью устройства, аналогичного так называемому “микродипперу” [71], подлежащую разделению пробу в количестве нескольких микролитров вводят в предварительно вакуумированную нагретую камеру объемом 16 мл. Пары пробы заполняют всю камеру, в том числе и поперечное отверстие подвижного штока. Опуская шток, движущийся в фторопластовых уплотнениях, это отверстие переводят в положение, где оно соединяет линию подвода газа-носителя с капиллярной ко-

Рис. 65. Конструкции стеклянных вкладышей испарителя

/ - корпус вкладыша; 2 - суженное выходное отверстие; 3 - “наколки" на стенке стеклянных трубок; 4 - отверстия для прохода газа-носителя; 5 - стеклянный шарик

лонкой. Таким образом, количество пара, заполняющее отверстие, объем которого равен 16 мкл, переводится в колонку в виде очень узкой высококонцентрированной зоны. При этом исходная проба подвергается делению в отношении I : 1 000. Основная масса пробы остается в камере и может анализироваться повторно. Для перехода к анализу нового образца камеру вновь вакуумируют и вводят новую пробу.

2727Рис. 66. Дозатор с предварительным испарением проб/ - испарительная камера объемом 16 мл; 2 - дозатор жидкой пробы; 3 - фторопластовое уплотнение; 4 - дозировочная емкость жидкой пробы; J - дозатор парообразной пробы объемом 16 мкл; 6 - колонка; 7 - запорный вентильРис. 66. Дозатор с предварительным испарением проб/ - испарительная камера объемом 16 мл; 2 - дозатор жидкой пробы; 3 - фторопластовое уплотнение; 4 - дозировочная емкость жидкой пробы; J - дозатор парообразной пробы объемом 16 мкл; 6 - колонка; 7 - запорный вентильПреимуществом такого дозатора, помимо удобства и малой ширины начальной зоны, является то, что испарение пробы про-

27

27

Рис. 66. Дозатор с предварительным испарением проб

/ - испарительная камера объемом 16 мл; 2 - дозатор жидкой пробы; 3 - фторопластовое уплотнение; 4 - дозировочная емкость жидкой пробы; J - дозатор парообразной пробы объемом 16 мкл; 6 - колонка; 7 - запорный вентиль

Рис. 66. Дозатор с предварительным испарением проб

/ - испарительная камера объемом 16 мл; 2 - дозатор жидкой пробы; 3 - фторопластовое уплотнение; 4 - дозировочная емкость жидкой пробы; J - дозатор парообразной пробы объемом 16 мкл; 6 - колонка; 7 - запорный вентиль

исходило в вакууме, так что дозатор мог работать при значительно более низкой температуре, чем при использовании других способов ввода пробы. Это может иметь особо важное значение при анализе химически неустойчивых веществ. Испарение пробы может осуществляться в струе инертного газа, что избавляет от необходимости иметь вакуумную систему, но приводит к разбавлению вводимой пробы [72, 73]. Понятно, что при анализе газообразных проб камера для испарения не требуется, так что вся конструкция может быть существенно более простой. Действительно, в литературе описано большое число конструкций крановых и клапанных устройств для дозирования газообразных проб [74-82]. Предложен [74] плунжерный дозатор, близкий по конструкции к описанному выше, но отличающийся отсутствием камеры испарения. Применялся также весьма точный дозирующий кран для газов (рис. 67) с отводами диаметром 0,3 мм и фторопластовой пробкой с выточками разного объема от 1 до 8 мкл [60]. Точность дозирования с помощью такого крана составляет 0,5% отн.

Важным недостатком методов дозирования проб с делением газового потока или с отбором части пробы из большого объема является заметное снижение предела обнаружения малых примесей в анализируемом материале. Кроме того, применение делителей любого типа вносит известную неопределенность в результат количественного анализа данного материала. Поэтому был предложен ряд способов непосредственного ввода малых проб в капиллярные колонки. Так, Кёглер [83], измерив с помощью измерительной лупы длину столбика жидкой пробы в капиллярной трубке известного диаметра, соединял этот капилляр с линией подачи газа-носителя и с капиллярной колонкой. Проба поступала в колонку с одновременным испарением. Очевидные неудобства такого способа дозирования обусловили его малое распространение.

Этих недостатков лишен метод дозирования [84, 85], в котором заполненные анализируемой жидкостью капилляры длиной от 2 до 20 мм и диаметром от 20 до 200 мкм вводятся в испаритель хроматографа с помощью подающего шприца специальной конструкции (рис. 68).

Практически достижимо прямое дозирование проб объемом 2 - 10"6 мкл. Необходимые для этого капилляры могут быть получены с помощью описанных выше установок для вытягивания стеклянных капиллярных трубок, например [86], без изгибающего устройства, а простейший вариант шприца легко выполнить путем несложной переделки обычного медицинского шприца на 1-2 мл с металлическим поршнем (рис. 68). Проверка этого метода при дозировании проб объемом 0,01 мкл показала, что раз-

Рис. 67. Дозирующий кран с минимальным объемом коммуникаций / - анализируемый газ; 2 - латунная муфта; 3 - фаска; 4 - фторопластовая пробка крана; 5 - газ-носитель; 6 - рукоятка

брос величин проб не превышает 7% отн. При работе с капиллярными колонками с эффективностью 20-50 тыс. т. т. не наблюдалось снижения качества разделения из-за уменьшения скорости испарения пробы из капилляра. Для повышения скорости испарения дозатор хроматографа заполняли дробленым кварцем, упираясь в который, капилляр при вводе пробы разламывается на части

длиной 1-2 мм. Разрушенные капилляры остаются в испарителе и не мешают вводу последующих проб, так что необходимость в очистке испарителя не возникает даже после 500-600 операций ввода проб.

Рис. 68. Специальный шприц для ввода проб в открытых капиллярах/ - корпус шприца; 2 - поршень; 3 - прорезь в поршне; 4 - крепление вытесняющего штока; 5 - вытесняющий шток; 6 - канюля шприца; 7 - уплотнение из силиконовой резины; 8 - втулка для ограничения хода поршня; 9 - иглаРис. 68. Специальный шприц для ввода проб в открытых капиллярах/ - корпус шприца; 2 - поршень; 3 - прорезь в поршне; 4 - крепление вытесняющего штока; 5 - вытесняющий шток; 6 - канюля шприца; 7 - уплотнение из силиконовой резины; 8 - втулка для ограничения хода поршня; 9 - иглаОписано большое число разнообразных устройств, позволяющих с высокой воспроизводимостью дозировать весьма малые пробы веществ. Подробное описание приспособления для ввода в хроматограф очень малых проб величиной от 0,01 до 5 мкг приведено в работе [87]. Пробы порядка 20 мкг вводили с помощью микропипетки или специальных шприцевых устройств, однако в

Рис. 68. Специальный шприц для ввода проб в открытых капиллярах

/ - корпус шприца; 2 - поршень; 3 - прорезь в поршне; 4 - крепление вытесняющего штока; 5 - вытесняющий шток; 6 - канюля шприца; 7 - уплотнение из силиконовой резины; 8 - втулка для ограничения хода поршня; 9 - игла

Рис. 68. Специальный шприц для ввода проб в открытых капиллярах

/ - корпус шприца; 2 - поршень; 3 - прорезь в поршне; 4 - крепление вытесняющего штока; 5 - вытесняющий шток; 6 - канюля шприца; 7 - уплотнение из силиконовой резины; 8 - втулка для ограничения хода поршня; 9 - игла

большинстве случаев газовый объем этих устройств был настолько велик, что не позволял реализовать высокую разделяющую способность капиллярных колонок. Исключением являлись относительно редкие случаи работы с капиллярными колонками диаметром 1,0-1,5 мм, для которых допустимая величина пробы и оптимальная скорость газа по крайней мере в десять раз выше, чем при работе с более обычными капиллярными колонками диаметром 0,2-0,5 мм [88-90].

Остро осознавая несовершенство техники ввода проб с помощью щприца, прокалывающего иглой эластичную резиновую мембрану, многочисленные исследователи изучали весьма разнообразные способы ввода проб непосредственно в капиллярную колонку без делителей потока и без эластичных мембран. Стремление организовать ввод проб без деления потока проявлялось особенно ярко при необходимости анализа сильно разбавленных растворов, в которых содержание целевых определяемых компонентов составляло сотые и тысячные доли процента. В этом случае при вводе пробы с общим объемом около 0,1 мл количество веществ, подлежащих определению как раз и составляло 0,01 -0,001 мкл, что находится в пределах возможностей обычных капиллярных колонок диаметром 0,2-0,3 мм. Однако эти пробы вводятся в этом случае в очень большом объеме легко испаряющегося растворителя, что резко увеличивает ширину начальной зоны и не позволяет добиться достаточно высокой эффективности разделения. На устранение этого противоречия были направлены усилия многочисленных исследователей.

Шомбург и сотр. [91, 92] описали разработанный ими метод ввода проб непосредственно в капиллярную колонку и сопоставили четыре ранее описанных способа ввода проб. Эти авторы отмечают, что при использовании предложенного ими способа отпадает необходимость в применении делителей потоков, шприцев и прокалываемых мембран. Сходные устройства описаны и в работах [93-98]. Например, в работе [94] японские авторы описали способ ввода проб в капиллярную колонку без деления потока при работе на хроматографе “Хитачи модель 063” с пламенноионизационным детектором. В работе [95] без деления потока с прямым вводом проб анализировали выхлопные газы автомобильных двигателей и продукты реакции Фишера-Тропша, представлявшие собой многокомпонентные смеси углеводородов с содержанием следовых компонентов на уровне 0,01% и менее.

Малые концентрации полициклических ароматических углеводородов определяли методом капиллярной хроматографии с прямым вводом проб в колонку в работе [96]. Предложенный в этой работе дозатор-испаритель показал ряд преимуществ при

сравнении с дозаторами других конструкций. Ряд иных конструкций дозаторов описаны в работах [97-99]. В последней работе исследуемые вещества помещали в микрососуды размером 30 х 2,5 мм, которые переводили в нагретую зону испарителя с помощью магнита и специального толкателя.

Системы для непосредственного ввода проб в капиллярные колонки описаны также в [100, 101]. Отмечено, что ввод проб термически неустойчивых веществ в холодный испаритель способствует получению точных количественных результатов при анализе карбаматных пестицидов, стероидов и других малоустойчивых и труднолетучих веществ. В работе [101] описаны устройства для разрушения стеклянных капилляров с вводимыми пробами в испарителе хроматографа. Однако в ряде работ по изучению устройств для прямого ввода проб в капиллярную колонку отмечались факты искажения количественного состава вводимых проб, то есть уменьшения относительного содержания наиболее легколетучих и наиболее тяжелых компонентов [102-105].

Для устранения этого явления были затрачены значительные усилия, хотя уже в 1981 г. была описана система, по-видимому, позволяющая сильно уменьшить или вообще устранить этот нежелательный эффект [106]. В этой работе использовали капиллярные колонки размером 50 м х 0,4 мм с полисилоксаном OV-101 в качестве неподвижной фазы. Хроматографические анализы проводили при 220°С или с программированием температуры до этого уровня.

В многочисленных публикациях описаны системы, позволяющие вводить пробы в капиллярные колонки как с делителем потока, так и без него. Примерами таких работ могут служить публикации [107, 108].

Попытка количественного описания процесса ввода пробы в капиллярную колонку с учетом влияния газа-носителя и растворителя сделана в работе [109]. Хотя эту попытку вряд ли можно считать вполне успешной, в ней было показано сложное влияние избытка растворителя при вводе пробы разбавленного раствора в нагретый испаритель. Кроме того, проведенное в этой работе рассмотрение позволило выявить связь объема вводимой пробы с давлением в испарителе в момент ее испарения. При изучении процесса ввода проб в капиллярные колонки без деления потока [110] К.Гроб и Ньюком показали, что точность и воспроизводимость получаемых результатов при “холодном” вводе проб зависит от их объема, от скорости ввода пробы и от соотношения между температурой колонки и температурой кипения применяемого растворителя. Было отмечено, что при вводе в капиллярную колонку проб разбавленных растворов без делителя потока

происходят заметные искажения формы хроматографических пиков (размывание и даже расщепление) целевых компонентов анализируемых смесей, присутствующих в малых концентрациях [111]. Позже процесс формирования зон анализируемых соединений был изучен весьма детально и было показано, что в процессе переноса компонентов введенной в капиллярную колонку пробы раствора с низкой концентрацией растворитель после испарения в устройстве для ввода проб может вновь конденсироваться в начальном участке колонки [112]. Такая пленка сконденсировавшегося растворителя может вызывать задержку определяемых соединений и искажение формы пиков, подчас весьма существенное [113-115]. Замедление скорости движения веществ в капиллярной колонке при вводе больших проб очень разбавленных растворов является результатом набухания пленки неподвижной фазы в зоне конденсации растворителя. Это приводит не только к замедлению движения хроматографической полосы, но и к искажению ее формы, проявляющемуся в первую очередь как ее расширение в пространстве (то есть по длине колонки) [116]. Для устранения этого явления была предложена концепция “замедления удерживания” (retention gap) [117].

Преториус, Лоусон и сотр. [118] различают “холодный прямой” способ ввода пробы и способ ввода “без деления потока”. В первом случае колонка имеет температуру несколько ниже температуры кипения применяемого растворителя, так что в колонке сразу образуется жидкостная пробка, быстро продвигающаяся под давлением газа-носителя. Во втором случае проба испаряется в нагретом испарителе и затем вновь конденсируется в колонке. Авторы работы [118] подчеркивают, что образование пленки растворителя на стенках колонки может при определенных условиях приводить к формированию очень узких зон целевых компонентов, то есть к “фокусированию” зон веществ, вводимых в форме очень низкоконцентрированных растворов [119]. В сочетании с “замедлением удерживания” это может дать весьма существенное улучшение разделения. “Замедление удерживания” обычно достигается в результате установки между испарителем и основной разделяющей колонкой отрезка капилляра длиной 0,6-5,0 м со стенками либо совсем непокрытыми неподвижной фазой, либо покрытыми неполярным сшитым полисилоксаном. Чтобы обеспечить максимальный эффект переконцентрирова- ния введенной пробы, этот “замедлитель" не должен обладать сколько-нибудь значительной собственной удерживающей способностью [120]. Стенки “замедлителя” должны быть по-воз- можности инертны, однако при вводе проб они должны хорошо смачиваться вводимым или конденсирующимся растворителем.

В исследовании Саравалле и сотр. [121] показано, что форма пиков, образующихся при прямом вводе значительного количества раствора анализируемых веществ, в сильной степени зависит от характеристик применяемого растворителя, в частности, от его полярности. Эти авторы показали, что при вводе относительно большой пробы объемом 2 мкл в капилляр диаметром 0,32 мм и длиной 25 м при 30°С с последующим нагревом до 80°С и далее со скоростью 8 град/мин до ЗОФС растворитель довольно быстро испаряется, однако перед этим образует в начале колонки жидкую пробку, длина которой сильно различается для разных растворителей. При этом неполярные растворители движутся по колонке со скоростью 0,2-0,3 см/сек в форме компактного сплошного столбика жидкости длиной до трех витков спиральной колонки диаметром около 18 см (около 2 м длины колонки). Метанол и другие полярные растворители ведут себя иначе: их жидкая зона растягивается на 15-20 витков колонки. При этом жидкий столбик разбивается на отдельные жидкостные линзы, которые быстро движутся по колонке, разрушаются и сливаются вновь. Испарение растворителя протекает более интенсивно в замыкающей части его зоны (ее задний фронт движется быстрее переднего). Полную визуальную картину поведения растворителя при таком вводе проб удалось наблюдать с помощью флюоресцирующих в УФ-свете красителей, добавленных в растворитель [122, 123]. С другой стороны, фиксируемые одновременно хроматограммы смесей метиловых эфиров алифатических спиртов С6-С24 показали сильное искажение пиков при вводе этой смеси в виде 0,1%-ного раствора в метаноле и практически полное отсутствие таких искажений при переходе от метанола к менее полярным растворителям - хлороформу и хлористому метилену. Интересно, что форма искаженных пиков в широком диапазоне молекулярных масс (С8-См) практически полностью повторяет друг друга (рис. 69).

При изучении влияния природы и состава растворителя с применением смесей метанола и хлороформа было установлено, что достигаемое на применяемой колонке при начальной температуре 30 °C эффективное число пиков для эфиров кислот Ск-С24 составляет 2-6 при вводе проб в метаноле и 20-43 при использовании для этой цели хлороформа.

При повышении начальной температуры колонки до 65°С эти различия между метанолом и хлороформом исчезают, и ввод пробы в том и в другом растворителе обеспечивает примерно одинаковую разделяющую способность колонки, составляющую, например, для эфиров кислот С22 и С24 ЭЧП 25-28.

Сходные искажения при прямом вводе проб разбавленных растворов наблюдали и в работах [124-127]. В последней работе

Е24Е22Е24Е22Е20Е18Е16Е14Е12 Ею Е8 ЕбЕ20Е18Е16Е14Е12 Ею Е8 ЕбРис. 69. Искажение пиков при вводе проб без деления потока. Влияние полярности растворителя на “эффект затопления” наблюдающийся на колонке с неполярной неподвижной фазой. Хроматограммы метиловых эфиров жирных кислот (по 5 нг), растворенных в хлороформе (а) и в метаноле (б). Пробы объемом 2 мл вводили в капиллярную колонку диаметром 0,32 мм с иммобилизованной полисилоксановой неподвижной фазой OV-1 (толщина пленки 0,15 мкм). Программирование температуры с быстрым нагревом от 30 до 80 °C и далее от 80 до 300 °C со скоростью 8 град./мин. Газ-носитель водород, скорость 650 см/сек. Подстрочный индекс при Е означает число атомов углерода в молекуле жирной кислоты [Saravalle С.A.. Munari F„ Tresiiani S., J. Chromatogr. 1983. Vol. 279. PP. 241-250]Рис. 69. Искажение пиков при вводе проб без деления потока. Влияние полярности растворителя на “эффект затопления” наблюдающийся на колонке с неполярной неподвижной фазой. Хроматограммы метиловых эфиров жирных кислот (по 5 нг), растворенных в хлороформе (а) и в метаноле (б). Пробы объемом 2 мл вводили в капиллярную колонку диаметром 0,32 мм с иммобилизованной полисилоксановой неподвижной фазой OV-1 (толщина пленки 0,15 мкм). Программирование температуры с быстрым нагревом от 30 до 80 °C и далее от 80 до 300 °C со скоростью 8 град./мин. Газ-носитель водород, скорость 650 см/сек. Подстрочный индекс при Е означает число атомов углерода в молекуле жирной кислоты [Saravalle С.A.. Munari F„ Tresiiani S., J. Chromatogr. 1983. Vol. 279. PP. 241-250]

Е24Е22

Е24Е22

Е20Е18Е16Е14Е12 Ею Е8 Еб

Е20Е18Е16Е14Е12 Ею Е8 Еб

Рис. 69. Искажение пиков при вводе проб без деления потока. Влияние полярности растворителя на “эффект затопления” наблюдающийся на колонке с неполярной неподвижной фазой. Хроматограммы метиловых эфиров жирных кислот (по 5 нг), растворенных в хлороформе (а) и в метаноле (б). Пробы объемом 2 мл вводили в капиллярную колонку диаметром 0,32 мм с иммобилизованной полисилоксановой неподвижной фазой OV-1 (толщина пленки 0,15 мкм). Программирование температуры с быстрым нагревом от 30 до 80 °C и далее от 80 до 300 °C со скоростью 8 град./мин. Газ-носитель водород, скорость 650 см/сек. Подстрочный индекс при Е означает число атомов углерода в молекуле жирной кислоты [Saravalle С.A.. Munari F„ Tresiiani S., J. Chromatogr. 1983. Vol. 279. PP. 241-250]

Рис. 69. Искажение пиков при вводе проб без деления потока. Влияние полярности растворителя на “эффект затопления” наблюдающийся на колонке с неполярной неподвижной фазой. Хроматограммы метиловых эфиров жирных кислот (по 5 нг), растворенных в хлороформе (а) и в метаноле (б). Пробы объемом 2 мл вводили в капиллярную колонку диаметром 0,32 мм с иммобилизованной полисилоксановой неподвижной фазой OV-1 (толщина пленки 0,15 мкм). Программирование температуры с быстрым нагревом от 30 до 80 °C и далее от 80 до 300 °C со скоростью 8 град./мин. Газ-носитель водород, скорость 650 см/сек. Подстрочный индекс при Е означает число атомов углерода в молекуле жирной кислоты [Saravalle С.A.. Munari F„ Tresiiani S., J. Chromatogr. 1983. Vol. 279. PP. 241-250]

отмечено, что введение рационально выбранного “замедлителя удерживания” позволяет сократить длительность начальной зоны во времени от нескольких минут до нескольких секунд.

Указывают также, что при использовании “замедлителей удерживания” достаточно большой длины целесообразно применять повышенные скорости нагрева колонки сразу после ввода пробы [128].

При хроматографическом анализе эфирных масел применение “замедлителя удерживания” длиной I м и диаметром 0,3 мм позволило полностью устранить искажения пиков, возникавшие при вводе проб в виде разбавленных метанольных растворов [129]. Авторы этой работы связывают наблюдавшееся ими снижение эффективности колонки с повреждением слоя неподвижной фазы в начальном участке стеклянной капиллярной колонки при выпрямлении ее концов в процессе ее установки в хроматограф. В этой работе капилляр “замедлителя" присоединяли к основной капиллярной колонке с помощью короткой полиимидной трубки, приклеенной полиимидным же клеем PI-2550 фирмы Дюпон (США) [ 130].

В работе [129] также были сопоставлены значения эффективности, достигаемые с помощью капиллярных колонок с полисилоксанами и с полиэтиленгликолем (суперокс 20MCL) при вводе проб эфирного масла величиной около 0,1 мкл с делителем потока, непосредственно в колонку в чистом виде и в растворе в метаноле или в гексане. По данным этой работы достигаемое число разделения для пары метиловых эфиров алифатических кислот См и С|2 составляло 19,5-23 при вводе пробы объемом 0,1 мкл, 16 при объеме пробы 3 мкл и 11,5-13 при объеме пробы 5 мкл. Все пробы вводились при 20°С. При этом значимо не различались результаты, полученные при вводе пробы в течение 2-15 сек и за время менее 1 сек. При температуре колонки 65°С были получены числа разделения 21, 18.5 и 15, соответственно. При вводе пробы в ту же колонку с делителем потока (1 : 50) было получено число разделения 19,5. Таким образом, в этом случае ввод проб довольно значительного объема не уменьшил наблюдаемую эффективность колонки.

Весьма рациональную конструкцию устройства для ввода проб как с делением потока, так и непосредственно в капиллярную колонку описали Шомбург и сотр. [131, 132]. В этих работах в представленных хроматограммах каменноугольной смолы, пробы которой вводили в виде сильно разбавленного раствора, зарегистрированы пики полициклических ароматических углеводородов до коронена включительно, причем было достигнуто хорошее разрешение экологически очень важного триплета бенз[л]пирена, бенз[е]пирена и перилена (рис. 70).

Этот пример убедительно показывает действенность приема непосредственного ввода проб в капиллярную колонку в форме разбавленных растворов.

Ввод проб большого объема важен не только при анализе разбавленных растворов, но и при осуществлении с помощью капиллярной хроматографии микропрепаративного разделения веществ. Например, описаны устройства, позволяющие вводить пробы объемом до 50 мкл в изотермическом режиме или с программированием температуры испарителя, Таким путем проводили разделение смесей различных производных дифенила на колонке с углеводородом CS7Hi76 в качестве неподвижной фазы [133]. Для такой же цели использовали устройство, позволяющее вводить пробы объемом до 250 мкл при микропрепаративном разделении органических веществ различных классов [134, 135].

Техника ввода проб в виде разбавленных растворов в холодную колонку находит достаточно широкое применение в практике аналитических работ с разнообразными объектами. Такой способ ввода пробы использовали при анализе рапсового масла

[1361, при анализе состава смеси триглицеридов различных жиров разной степени ненасыщенности, содержащих в молекуле от 22 до 60 атомов углерода [137]. Эти анализы выполнялись на стеклянной капиллярной колонке длиной от 5 до 15 м и диаметром 0,3 мм в условиях программирования температуры колонки от 200-240 до 320-360°С.

Интересным примером использования капиллярной хроматографии с вводом больших проб являются работы Коркилла и Гизе [138, 139] по анализу смесей летучих перфторбутиратов бромо- и иодотиронинов. В этих работах пробы вводили в стеклянный капилляр длиной от 11 до 15,5 см, присоединенный к кварцевой капиллярной колонке размером 15 м х 0,25 мм с полисилоксановой неподвижной фазой. После ввода пробы в колонку, нагретую до 200°С, ее температуру повышали до 275°С со скоростью 43 град/мин, после чего проводили разделение смеси производных иодтиронинов в условиях программирования температуры колонки от 270-275 до 320°С.

В работах [140, 141] использовали пробы разбавленных пентановых экстрактов при определении содержания галогеноуглеводо- родов в морской воде с целью контроля состояния водной среды в Атлантическом и Северном Ледовитом океанах. Пробы воды объемом 100 мл экстрагировали 1 мл пентана и до 250 мл полученных экстрактов вводили в холодный испаритель с последующим быстрым нагревом. Авторы этих исследований отмечают надежность функционирования капиллярной колонки, приготовленной согласно рекомендациям работы [142]. Для присоединения капиллярной колонки большого диаметра к испарителю применяли стеклянную трубку диаметром 0,8 мм, входящую в термостат хроматографа на 8-10 см. Такая система устойчиво работала без делителя потока, хотя авторы отмечают некоторое уменьшение относительного содержания высококипящих компонентов.

Имеется ряд примеров применения автоматизированных систем, в которых автоматически регулируется скорость подачи пробы из дозатора в колонку [143, 144] или вообще весь цикл ввода пробы [145].

Удобным дозирующим устройством для капиллярной хроматографии оказался кран для ввода проб в современные жидкостные хроматографические колонки высокого разрешения с дозирующей трубкой объемом 20 мкл [146].

В общем при вводе содержащих микропримеси очень разбавленных проб, особенно газообразных, очень трудно избежать значительного расширения начальной хроматографической зоны и, как следствие, существенного снижения эффективности колонки, особенно для веществ с малым временем удерживания.

Рис. 70. Устройство для холодного ввода проб в капиллярные колонки с последующим программированием температуры и вводом проб с делением потока, без деления потока и непосредственно в колонку

1 - вход га за-носителя; 2 - выход газа-носителя при вводе проб с целением потока; 3 - поток газа для очистки мембраны; 4 - стеклянный вкладыш; 5 - термометр сопротивления; 6 - нагревательная спираль; 7 - капиллярная колонка; 8 - воздушное охлаждение

Существенным продвижением в этой области явилась разработка дозирующих систем, отличающихся тем, что в момент ввода пробы начальный участок капиллярной колонки длиной 5-10 мм подвергается резкому охлаждению, например, углекислотой или жидким азотом. Этот охлажденный участок служит миниатюрной ловушкой, обеспечивающей сбор и концентрирование малых примесей, содержащихся в анализируемом образце. Последующее быстрое нагревание охлажденного участка до температуры колонки дает возможность получить высококачественные хроматограммы накопленных примесей [147-151]. Такой “криогенный ввод”, конечно, может применяться лишь в том случае. когда температуры кипения и способность к сорбции определяемых примесей намного выше, чем у основного преобладающего компонента анализируемой смеси. Поэтому этот метод приобрел особое значение при определении малых примесей в воздухе, например, при оценке уровня загрязнения воздушной среды [152], при анализе запахов [153], определении биологически активных веществ, например феромонов, аттрактантов и репеллентов насекомых [154, 155] и т.п. Типичный дозатор, позволяющий осуществлять “криогенный ввод", изображен на рис. 71,

Рис. 71, Устройство для криогенного ввода проб

/ - колонка; 2 - нагреватели; 3 - форколонка; 4 - мембрана для ввода пробы: 5 - подача газа-носителя; 6 - воздушное охлаждение; 7 - радиатор; 5 - подача углекислого газа для охлаждения

а на рис. 72 приведен пример хроматограммы, полученной с применением такого охлаждения начального участка колонки [156].

В работе [157] подробно рассмотрены преимущества использования системы охлаждения входного участка колонки при без- мембранном и безиспарительном вводе проб непосредственно в капиллярную колонку. Для этой цели разработан ряд полностью автоматизированных устройств. Например, описанная в работе [158] автоматическая криогенная система ввода проб, выполненная целиком из кварца, обеспечивает двухступенчатое концентрирование целевых компонентов вводимых проб и быстрый нагрев охлаждаемой зоны по окончании накопления анализируемых компонентов. В литературе имеется большое число описаний сходных систем.

Оригинальный дозатор для непосредственного ввода в капиллярную колонку парообразной или газообразной пробы предложен Пальмером [159]. Схема этого дозирующего устройства изображена на рис. 73.

С помощью электромагнитного привода 5 конец капиллярной колонки 7 может перемещаться поступательно. В нижнем положении 3, показанном на рис. 73 пунктиром, в течение 4-6 мсек он находится в объеме, заполненном анализируемой газообразной смесью, поступающей по трубке снизу и удаляющейся через кольцевую щель и соответствующие коммуникации. По верхней трубке подается чистый газ-носитель, который препятствует проникнове-

Время, мин

Рис. 72. Хроматограмма летучих органических соединений мочи на капиллярной колонке с неподвижной фазой БС-2

/ - ацетон; 3 - этанол; 6 - 2-пентанол; 7 - н-пропанол; /0 - ди мети л-дисульфид; /3 - 4-гептанон; 14 - н-бутанол; /5 - 2-гептанон; 29 - пиррол; 45 - карвон

нию анализируемого газа в колонку при верхнем положении ее конца. Газ-носитель частично направляется в колонку, частично истекает через кольцевой зазор между корпусом дозатора и капиллярной колонкой, и часть его уходит вместе с пробой в атмосферу. Таким образом обеспечивается непосредственный ввод в капиллярную колонку проб величиной 0,4-0,5 мкг без разбавления их га-

ПробаПробаРис. 73. Автоматический дозатор проб для капиллярных колонок

Проба

Проба

I - колонка; 2 - камера смешения; 3 - положение колонки в момент ввода пробы; 4 - положение колонки во время анализа; 5 - электромагнитный привод

зом-носителем. Описанное устройство было предназначено для экспресс-анализа газообразных углеводородных смесей на короткой капиллярной колонке

с визуальным представлением хроматограммы на экране осциллографа (см. ниже). При этом электрический импульс, обеспечивающий ввод пробы, может быть согласован с началом развертки осциллографа.

Вместе с такими быстродействующими хроматографическими системами могут, конечно, работать и более простые крановые или клапанные, системы (например, см. [160]). Они могут быть изготовлены из коррозионно-устойчивых материалов, что приобретает особое значение при анализе высокоагрессивных газов. Так, клапанная система, выполненная из полиэтиленовых трубок диаметром 0,4 мм, пережимаемых миниатюрными винтами, применялась при капиллярной хроматографии смеси фтористого водорода, хлора и трифторида хлора [161]. Следует учитывать, что при переходе к прямому вводу пробы расход газа-носителя падает до величины, определяемой скоростью истечения его через капиллярную колонку, т.е. до 0,5-1,0 мл/мин. При этом влияние собственного объема дозатора-испарителя и коммуникаций становится весьма важным, и во избежание резкого снижения эффективности разделения необходимо, чтобы величина этого объема не превосходила нескольких десятых долей миллилитра. Это означает, например, что трубка дозатора, в которой испаряется проба, должна иметь диаметр не более 1-1,5 мм и длину 1-2 см.

Вопросы ввода проб в капиллярные колонки, как непосредственно, так и с делителями потока, обеспечивающими малую ширину начальной зоны, настолько важны для обеспечения высокой эффективности разделения изучаемых соединений при возможно более низких предельно определяемых концентрациях, что его подробному рассмотрению посвящен ряд специальных обзоров и книг [162-166].

В настоящее время в подавляющем большинстве случаев для дозировки жидких проб в капиллярные колонки используются системы с делением газового потока. Пробы объемом 0,1-1 мкл и более вводят с помощью микрошприцев различного типа. В наиболее удобных конструкциях таких шприцев в качестве цилиндра шприца используется его игла, внутри которой перемещается вольфрамовая проволока, выполняющая роль поршня (рис. 74а). Применяются также шприцы с микрометрическим винтом, позволяющим перемещать поршень диаметром 2-3 мм на 0,1-0,2 мм (рис. 746). В последнее время разработаны системы автоматического ввода проб, предварительно заключаемых в запаянные ампулы из индия или из алюминия или помещенных в стеклянные сосуды, находящиеся в особых подающих приспособлениях. Однако подробное рассмотрение этих вспомогательных устройств выходит за рамки настоящей книги.

ДЕТЕКТИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА.КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯВ КАПИЛЛЯРНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ

Рассмотренные выше особенности процесса капиллярной хроматографии предъявляют весьма жесткие требования к детектирующим системам хроматографов. Чувствительность детектора должна обеспечивать возможность регистрации по крайней мере 10"12-10"14 г вещества. Если учесть, что среднее время, в течение которого элюируется пик, составляет 100 сек, то абсолютная чувствительность потокового детектора должна быть не менее 10-14— 10-16 г/сек. Крайне незначительная величина расхода газа в капиллярных колонках (обычно 0,2-0,5 мл/мин и менее) требует, чтобы собственный объем детектора не превышал более чем в 3-5 раз количеетво газа, выходящее из колонки за секунду (10-20 мкл). Кроме того, необходимо, чтобы физические и химические процессы, идущие в детекторе в момент поступления в него регистрируемого компонента, завершались бы достаточно быстро. т.к. только при этом условии возможно обеспечить малую величину постоянной времени детектора. Вспомогательные электронные устройства также должны обладать достаточным быстродействием для того, чтобы регистрировать сигналы, скорость изменения которых достигает десятков и сотен вольт в секунду. Далеко не все детекторы, известные в газовой хромато-

Рис. 74. Микрошприцы для ввода проб в хроматограф

а - микрошприц с микрометрическим винтом: 1 - дозирующий объем; 2 - поршень; J - микрометрический винт; б-микрошприц фирмы “Гамильтон": / - игла шрица, являющаяся дозирующей емкостью; 2 - вольфрамовая проволока, выполняющая функцию поршня; 5 - уплотнение; 4 - направляющие трубки; 5 - стеклянная трубка с делениями; 6 - рукоятка; 7 - ограничитель хода поршня

графин, удовлетворяют столь жестким требованиям. Ниже будут коротко изложены основные черты конструкции и особенности работы тех из них, которые применяются в капиллярной хроматографии в настоящее время или имеют перспективу применения в будущем.

Следует иметь в виду, что обсуждаться здесь будут лишь те свойства детекторов, которые важны для капиллярной хроматографии. Более общее обсуждение принципов действия, конструкций, характеристик детекторов и особенностей проведения с их помощью количественного анализа можно найти в руководствах и пособиях, специально посвященных этим вопросам [168-171].

В наибольшей степени удовлетворяет всем требованиям капиллярной хроматографии пламенно-ионизационный детектор [172]. Изобретение его совпало по времени с открытием капиллярной хроматографии - первые сообщения об этих исключительно важных достижениях появились в 1958 г. Начиная с этого времени, свойства и характеристики пламенно-ионизационного детектора интенсивно изучались, и в настоящее время данные о нем суммированы во многих статьях, обзорах и пособиях [168-174]. Чувствительность пламенно-ионизационного детекто-

Газ из колонкиГаз из колонкиРис. 75. Надежная конструкция пламенно-ионизационного детектора, применявшегося в лаборатории автора

Газ из колонки

Газ из колонки

/ - корпус детектора; 2 - кварцевая горелка; 5 - уплотнение из прессованного асбеста или графита; 4 - гайка; 5 - металлический экран; 6 - спираль поджига; 7 - коллекторный электрод из проволочной сетки; 8 - крышка; 9 - электроразъем кабеля, соединяющего детектор с электрометрическим усилителем; 10 - изоляторы; / / - поляризующий электрод, при поджигании пламени выполняющий функцию вывода спирали поджига; 12- второй вывод спирали поджига

ра составляет 1О"|4-1О"15 г/сек. Газовый объем детектора включает объем самого пламени (3-5 мкл) и объем подводящей коммуникации, который в хорошо выполненном детекторе не превышает 10-15 мкл.

Процессы ионизации в пламени протекают столь быстро, что постоянная времени детектора, определяемая этими процессами, не превышает нескольких миллисекунд. Таким образом, по чувствительности, величине собственного объема и быстродействию пламенно-ионизационный детектор в полной мере удовлетворяет требованиям капиллярной хроматографии. Конструкция детектора весьма проста, и это определяет его невысокую стоимость. Один из вариантов конструктивного оформления детектора показан на рис. 75. Линейность характеристики пламенно-ионизационного детектора очень высока, а диапазон концентраций, в котором сохраняется прямая пропорциональность между количеством вещества и током детектора, достигает пяти-шести порядков величины.

При анализе углеводородов или соединений, содержащих одно и то же число функциональных групп, но различающихся величиной и строением углеродного скелета, сигнал пламенно-ионизационного детектора, в общем, пропорционален процентному

содержанию в них неокисленного углерода. Поэтому поправочный коэффициент для расчета массовых концентраций компонентов по площади пиков равен

Km = M/\2z, (7-2)

где М - молекулярная масса вещества; z - число атомов углерода в нем.

При сравнении чувствительности детектора к веществам разной химической природы дело осложняется тем, что атомы углерода, входящие в состав карбонильных, карбоксильных, карбамидных и некоторых других функциональных групп, не вносят вклад в общую чувствительность детектора к данному веществу. Атомы углерода, соединенные с гидроксильными и аминогруппами, увеличивают сигнал детектора примерно вдвое меньше, чем атомы углерода метиленовых групп. Поэтому при анализе функциональных производных углеводородов обычно прибегают к предварительной градуировке детектора. Этот вопрос не является специфическим для капиллярной хроматографии и подробнее рассматривается в более общих руководствах по газовой хроматографии [175-179].

При использовании пламенно-ионизационного детектора для капиллярной хроматографии особое внимание уделяют обеспечению высокой скорости транспортировки элюируемых из колонки фракций к пламени детектора. Наиболее часто это достигается с помощью вспомогательного потока газа, как показано на рис. 50. Обычно для создания этого вспомогательного потока полностью или частично используют подаваемый в детектор водород.

Довольно большое число работ по капиллярной хроматографии выполнено с применением аргонового ионизационного детектора [180-187]. По чувствительности этот детектор не уступает пламенно-ионизационному; он также обладает высоким быстродействием. Однако довольно большой объем камеры детектора (рис. 76), где происходит возбуждение атомов аргона в метаста- бильное состояние [170, 171, 180, 181], требует принятия специальных мер, обеспечивающих возможность работы с капиллярными колонками. Особые усилия необходимы для создания условий, при которых сигнал детектора был бы линейно связан с концентрацией вещества.

Специально для капиллярной хроматографии был разработан микроаргоновый ионизационный детектор (рис. 766), в котором анодом служит коммуникация, подводящая газ

Рис. 76. Конструкции аргонового ионизационного детектора, пригодные для работы с капиллярными колонками

а - двухэлектродный детектор; б-трехэлектродный детектор; / - радиоактивный источник; 2 - коллекторный электрод; 3 - вспомогательный электрод; 4 - изолятор; 5 - вход газа из капиллярной колонки

из колонки [182]. Благодаря тому, что этот электрод имеет небольшие размеры и, кроме того, помещен в углублении изолятора, вблизи него напряженность электрического поля достигает очень больших значений, что ведет к возникновению пространственного заряда в небольшом объеме газа, непосредственно примыкающем к подводящей трубке. Ионизация детектируемых веществ происходит именно в этой области. Поэтому эффективный объем такого микроаргонового детектора очень мал, почти такой же, как у пламенно-ионизационного детектора. Для обеспечения достаточно интенсивного газообмена в камере детектора в нее подается вспомогательный поток аргона (50-100 мл/мин). Дополнительным усовершенствованием, позволяющим уменьшить уровень шумов и повысить чувствительность детектора, явилась установка третьего электрода, что позволяет измерять ток сигнала, обусловленный ионизацией элюируемых из колонки веществ, отдельно от фонового тока, подверженного значительным флуктуациям вследствие статистического характера радиоактивного распада.

Важной особенностью аргонового ионизационного детектора является нелинейный характер зависимости сигнала от концентрации регистрируемого компонента. При больших концентрациях последнего сигнал увеличивается быстрее, поэтому эта зависимость близка к экспоненте. Для получения линейной характеристики последовательно с детектором включают сопротивление порядка Ю10 Ом. Тогда увеличение тока в детекторе ведет к снижению напряжения на электродах за счет падения напряжения на упомянутом сопротивлении. Это приводит к тому, что характеристика детектора приближается к прямой линии. Влияние величины такого линеаризующего сопротивления иллюстрирует рис. 77.

В качестве источников радиоактивного излучения в аргоновых ионизационных детекторах используют обычно нестабильные изотопы: стронций-90, криптон-85, тритий, прометий- 147 и др. [183, 184], Радиоактивный стронций излучает [3-лучи и у-лучи с довольно высокой энергией. Поэтому детекторы со стронцием требуют соблюдения известной осторожности. Так, при активности источника 200 мкКюри во избежание серьезной опасности для здоровья нельзя находиться вблизи детектора, извлеченного из защитного свинцового экрана, более 4 часов в неделю.

Детекторы с остальными перечисленными изотопами, являющимися чистыми р-излучателями, практически не представляют какой-либо опасности для здоровья и не нуждаются в радиационной защите. Тритий обычно наносится на поверхность металлической фольги в виде пленки тритида титана или гидроксида кальция. Радиоактивный криптон находится в герметически закрытой камере, отделенной от внутренней полости детектора никелевой фольгой толщиной 25 мкм. Так, например, выполнен микродетектор, специально предназначенный для работы с капиллярными колонками (рис. 78). Активность источника в этом детекторе составляет 10 мкКюри, напряжение на электродах 3 00-1200 В [185].

Наличие радиоактивного источника в составе аргонового ионизационного детектора не является обязательным. Атомы аргона могут переводиться в возбужденное, метастабильное состояние под действием сильных электрических полей, высокочастотного электромагнитного поля или электронным ударом в тлеющем электрическом разряде. Последний принцип использован в аргоновом ионизационном детекторе, предложенном Ямана [186]. Между вольфрамовыми электродами, расположенными на расстоянии 0,1-0,3 мм друг от друга, тлеющий разряд возникает при давлении газа в несколько атмосфер и при напряжении 600-1000 В, если один из этих электродов представляет собой острие диаметром в несколько микрометров (рис. 79). Такое острие получают путем травления в кислотах вольфрамовой проволоки диаметром 0,3-0,5 мм. Второй электрод выполнен из вольфрамовой проволоки диаметром 1 мм. Через полость с этими электродами пропускают вспомогательный поток аргона (30-50 мл/мин). Газ из капиллярной колонки подают непосредственно в ионизационную камеру детектора.

Конструкция аналогичного детектора, удобная для использования в хроматографической аппаратуре, выполненной из металла, приведена на рис. 80.

Перманентные газы -Перманентные газы -Рис. 77. Зависимость величины сигнала аргонового детектора от величины пробы при разной величине линеаризующего сопротивления (Ом)

Перманентные газы -

Перманентные газы -

/ - 0.0; 2 - 3 J09; 5 - 5 Ю9; 4- Ю10

Как и в оригинальной модели первого аргонового детектора Лавлока [180], в качестве изоляторов здесь использованы свечи зажигания для двигателя внутреннего сгорания [187].

', кислород, водород, моноксид и

диоксид углерода - имеют потенциалы ионизации, превышаю

щие энергию возбуждения метастабильного уровня аргона (11,7 эВ) и поэтому обычно аргоновым детектором не регист

рируются. Однако аргоновый ионизационный детектор, в котором электроды расположены очень близко друг к другу (на расстоянии 1-2 мм), а напряжение на них составляет 3-5 В, проявляет довольно высокую чувствительность к перманентным газам и соединениям типа моноксида и диоксида углерода, которые обычно аналогичными детекторами не регистрируются [188]. Механизм этого явления неясен. Можно связывать его с тем, что молекулы этих газов дезак-

Рис. 78. Аргоновый микродетектор с радиоактивным криптоном для капиллярной хроматографии

/ - изолирующая втулка; 2 - фиксирующее кольцо: 3 - изоляторы; 4 - уплотнение; 5 - корпус детектора: 6 - подвод вспомогательного потока аргона; 7 - ускоряющий электрод; <5 - полость. заполненная криптоном-85 и закрытая никелевой фольгой толщиной 25 мкм; 9 - коллекторный электрод; /0 - основание детектора; / / - капиллярная колонка

Рис. 79. Аргоновый детектор без радиоактивного изотопа

/ - вход газа-носителя; 2 - вход вспомогательного потока аргона; 5 - электроды вспомогательного разряда; 4 - катод; 5 - анод (никелевая трубка диаметром 1 мм)

тивируют мета стабильные атомы аргона при неупругих столкновениях. Тем не менее, такая модификация детектора может применяться для детектирования как органических компонентов, так и перма-

40 мм40 ммнентных газов, например, при хроматографии на адсорбционных капиллярных колонках. Если к аргону добавить 0,1-0,2%

40 мм

40 мм

органического вещества - метана, этана, пропана, то упомянутое выше явление дезактивации возбужденных атомов аргона

молекулами неорганических газов будет вызывать резкое уменьшение ионизационного тока, что можно использовать для высокочувствительного их детектирования (рис. 81)

[189].

Наконец, для детектирования неорганических газов с высокой чувствительностью можно заменить аргон в ионизационном детекторе гелием. Наиболее высокий среди всех других веществ потенциал ионизации гелия (22,4 эВ) позволяет в

Рис. 80. Металлическая конструкция аргонового ионизационного детектора без радиоактивного изотопа

/ - свеча вспомогательного разряда; 2 - подвод вспомогательного потока аргона; 3 - корпус; 4 - свеча коллекторного электрода

этом случае детектировать и органические и неорганические компоненты смесей примерно с одинаковой чувствительностью. Однако исключительно высокие требования к чистоте гелия в этом случае ограничивают применение такого детектора [190, 191].

Сигнал описанных ионизационных детекторов сложным образом зависит от состава и строения детектируемых соединений. Мольный отклик детектора для членов одного гомологического ряда увеличивается примерно пропорционально их молекулярной массе, так что при увеличении молекулярной массы выше 80-100 а.е.м. массовый поправочный коэффициент остается примерно постоянным для всех компонентов. Характер разветвления углеродного скелета, наличие ненасыщенных и ароматических систем, природа и число гетероатомов влияют на величину сигналов детекторов перечисленных типов, причем это влияние не подчиняется достаточно простым закономерностям. Поэтому для получения точных количественных данных необходимо тщательно градуировать эти детекторы по каждому из компонентов, представляющих интерес.

Среди универсальных неселективных детектирующих устройств, применяемых в капиллярной хроматографии, необходимо отметить также детекторы по теплопроводности - катарометры. Этот удобный и надежный тип детектирующих систем, широко распространенный в газовой хроматографии на наполненных колонках, является менее употребительным при использовании капиллярных колонок. Это объясняется тем, что имеющие относительно большой собственный объем обычные катарометры в капиллярной хроматографии могут использоваться лишь с колонками большого диаметра (1-1,5 мм), обладающими недостаточно высокой эффективностью. Крайне малая величина расхода газа в капиллярных колонках меньшего диаметра при использовании обычных катарометров приводит к резкому снижению эффективности и к нарушению симметрии пиков. В то же время чувствительность, внутренне присущая этим детекторам, далеко не столь низка, как принято считать, и во многих случаях обеспечивает получение достаточно высоких результатов даже при работе с колонками диаметром 0,25 мм.

Детектор по теплопроводности, имеющий весьма малый объем камер, применялся уже в первых работах Голея [192] и Дийк- стры и де Гоэя [193]. Микродетекторы такого типа с объемом ячейки 15-20 мкл применяли Кондон [194] и Парселл [195]. Конструкция детектора с нагретой проволокой (рис. 82), имеющего очень малый собственный объем, описана в работе Норикова [196]. Объем камеры этого детектора составляет всего 8 мкл.

Рис. 81. Коаксиальный аргоновый детектор

/ - выход газа; 2 - крышка; 3 и 6 - изоляторы; 4 - тритиевый радиоактивный источник размером 28 х 10 мм и активностью 200 мкКюри; 5 - катод (корпус детектора); 7 - анод; 8 - скрепляющие винты; 9 - вход газа-носителя из колонки

Применимость детекторов, производимых различными приборостроительными фирмами и имеющих объем камер 25-115 мкл, проверена для колонок диаметром 0,5 и 0,25 мм [197, 198]. В первом случае чувствительным элементом служила нагретая вольфрамовая проволока, а во втором - миниатюрные термисторы. Известны конструкции миниатюрных детекторов по теплопроводности, в которых чувствительными элементами служили тончайшие волластоновы платино

вые проволоки диаметром 0,5-1,0 мкм.

Сопоставление возможностей пла

менно-ионизационного детектора и катарометра при работе с капиллярными колонками проведено Ределем [199]. В работе применялась колонка со скваланом длиной 50 м и диаметром 0,25 мм. Пробу смеси углеводородов объемом I мкл вводили в колонку с делением потока в соотношении 1 : 400. Объем камеры катарометра составлял всего 2,5 мкл. Примеры полученных хроматограмм убедительно подтверждают возможность успешного применения микрокатарометров в капиллярной хроматографии.

Рис. 82. Миниатюрный детектор по теплопроводности

/ - держатели нити накала; 2 - резьбовая втулка; 3 - корпус; 4 - канал ячейки детектора; 5 - пайка легкоплавким стеклом; 6 - фарфоровая трубка; 7 - фторопластовое уплотнение; 8 - нить накала

Тем не менее, в настоящее время катарометры применяются в сочетании с капиллярными колонками лишь в особых случаях, например, при анализе изотопов водорода [200, 201]. Наиболее благоприятные условия работы катарометров с гелием или водородом в качестве газов-носителей обеспечивают наибольшую возможную эффективность капиллярных колонок. Теоретическое рассмотрение работы детектора по теплопроводности и математическое моделирование протекающих в нем процессов показывает довольно широкие возможности его использования в капиллярной хроматографии [202]. Экспериментально показана возможность использования обычных коммерчески доступных детекторов по теплопроводности в сочетании с капиллярными колонками диаметром 0,3-0,5 мм и более [203]. Для снижения влияния собственного объема детектора к газу-носителю, покидающему колонку, добавляли вспомогательный газовый поток порядка 20-30 мл/мин. С другой стороны известны конструкции микрокатарометров с чувствительными элементами в виде тонких платиновых полосок, напыляемых в вакууме на кварцевые волокна. Таким путем удается создать детекторы по теплопроводности с собственным объемом порядка 10 мкл и с постоянной времени на уровне нескольких миллисекунд.

Фирмой “Хьюлетт-Паккард” (США) был разработан устойчиво работающий детектор по теплопроводности с модуляцией газового потока [204]. Этот детектор представляет собой две сложенные вместе керамические шайбы диаметром около 15 мм. В одной из шайб была выполнена канавка сечением 1 х 1 мм и длиной 10 мм, в которой был размещен всего один чувствительный элемент в форме прямой платиновой проволочки диаметром 10 мкм. С помощью системы особых малоинерционных клапанов через канал детектора пропускают поочередно с частотой 50 Гц газ, вытекающий из колонки, и чистый газ-носитель. На выходе электрической схемы детектора получают модулированный сигнал, который далее после демодуляции позволяет зарегистрировать изменения концентрации разделяемых веществ во времени. При этом оказывается возможным отфильтровать подавляющее количество помех и за счет этого существенно увеличить общую чувствительность детектирующей системы. Этот детектор вполне устойчиво работает с капиллярными колонками диаметром 0,5-0,8 мм.

Пока не нашел себе применение в капиллярной хроматографии детектор по плотности газов, предложенный Мартином в 1953 г. [205], который, имея, к сожалению, значительный собственный объем и довольно ограниченную чувствительность, в то же время близок к идеальному детектору с точки зрения количе-

ственного анализа. Теория работы этого детектора, подробно исследованная в работах [206, 207] и др., в принципе не исключает возможности создания миниатюрных и быстродействующих вариантов его конструкции.

Еще один тип детектирующей системы общего назначения, имеющий определенные перспективы применения в капиллярной хроматографии - это электрокондуктометрический детектор, предложенный впервые Пирингером и Паскалау [208-210]. Принцип работы этого детектора показан на рис. 83. Выходящие из колонки продукты сжигаются до воды и двуокиси углерода в миниатюрной ячейке для сжигания - трубке диаметром 1 мм, заполненной оксидом меди и нагретой до 700°С. Выходящий из этой ячейки газ вступает в контакт с деионизированной водой, подаваемой в количестве 10-50 мл/ч. После разделения фаз в расширении датчика газ удаляется из системы. Вода, содержащая растворенный диоксид углерода, поступает в кондуктометрическую ячейку объемом 3-5 мкл, где измеряется ее удельное сопротивление, резко снижающееся при растворении СО2. Чувствительность детектора дает возможность работать с капиллярными колонками, а его сигнал строго пропорционален содержанию углерода в анализируемых веществах (при отсутствии других гетероатомов, кроме кислорода).

При наличии в составе анализируемых веществ галогенов, аминогрупп, нитрогрупп, атомов серы и фосфора чувствительность детектора резко увеличивается и может достигать чувствительности, характерной для пламенно-ионизационного детектора [211]. В последней работе авторы отмечают, что при наличии в молекуле регистрируемого соединения атомов галогенов более предпочтителен восстановительный вариант этой детектирующей системы. При этом катализатором служит нихромовая проволока, а к газу-носителю добавляют хлористый винил в количестве примерно 20 млн-' для ускорения десорбции следов галоге- новодородов (в частности, НС1) с поверхности катализатора. По существу, в этом случае детектор работает как высокоселективное устройство. Тем не менее, отсутствие источников радиации, открытого пламени, высокого напряжения, наличие только одного газа-носителя делают этот детектор одним из наиболее удобных и практичных, особенно для хроматографов, эксплуатирующихся в полевых условиях или на производстве.

Для детектирования малых количеств соединений определенной химической природы, а также для идентификации пиков на хроматограмме применяют ряд детектирующих систем, избирательно реагирующих только на эти соединения. Такие детекторы называют селективными.

Рис. 83. Схема электрокондук- тометрического детектирования ] - колонка с ионообменной смолой; 2 - реактор с оксидом меди; 3 - микрокондуктометрнческая ячейка; 4 - кондуктометр; 5 - самописец; б - слив избытка воды; 7 - фазоразделитель

К этой группе принадлежит один из наиболее распространенных в газовой хроматографии детекторов - электронно-захватный (рис. 84). Принцип действия этого детектора заключается в том, что быстрые электроны, излучаемые радиоактивным источником (р-излучателем), ионизируют молекулы газа-носителя (обычно азота). При этом

возникают медленные электроны, собираемые положительно заряженным катодом и обусловливающие наличие некоторого постоянного фонового тока через детектор. Вещества, обладающие большим сродством к электрону, т.е. способные энергично связывать электроны с образованием малоподвижных отрицательных ионов, вызывают резкое снижение электронного тока в

детекторе, регистрируемое электрометром.

Такими веществами являются соединения, содержащие атомы металлов, галогенов, атомы азота. Наличие легкополя- ризующихся сопряженных систем кратных связей также облегчает образование отрицательных ионов при захвате электронов. Этим объясняется высокая чувствительность электронно-захватного детектора к нитрилам, нитросоединениям, полициклическим ароматическим соединениям, сопряженным альдегидам и кетонам и т.п. В то же время вещества типа углеводородов, спиртов, обычных кетонов, эфиров кислот дают сигналы, на четыре-пять порядков величины меньшие. Это позволяет избирательно регистрировать пестициды и полициклические ароматические углеводороды при изучении загрязнений окружающей среды, металлоорганические соединения - антидетонаторы моторных топлив, содержащие галогены производные стероидов и фармацевтические препараты в медикобиологических исследованиях и т.п.

Рис. 84. Плоскопараллельная конструкция электронно-захватного детектора

/ - анод; 2 - сетка; 3 - радиоактивный источник; 4 - катод; 5 - изолятор (фторопласт)

Так как электронно-захватный детектор имеет большое значение

для решения столь важных анали

тических задач, его свойства и сферы его применения интенсивно изучаются. Имеется много работ, подробно описывающих физические процессы в нем, характеристики его работы и их зависимость от условий эксперимента [170, 171, 175, 212-218], В последней работе электронно-захватный детектор применяли в сочетании с широкими капиллярными колонками без деления потока для определения пестицидов. Детектор устойчиво работал даже после 500 анализов проб объемом более 5 мкл.

Установлено, что чувствительность электронно-захватного детектора резко увеличивается с увеличением атомного номера и числа присутствующих в молекуле атомов галогена. Чувствительность к полигалогенированным соединениям типа пестицидов - альдрина, дильдрина, линдана, может достигать 1О“’2-1О“13 г/сек, а при использовании новейших детекторов с импульсным питанием - даже 10-|4-10-15 г/сек. Однако чувствительность этого детектора даже к близким по свойствам соединениям

может различаться на несколько порядков величины, а его линейный диапазон весьма невелик и не превышает 200-500. Поэтому необходимо проводить предварительную градуировку детектора по определяемым веществам.

Напряжение питания электронно-захватного детектора составляет 5-15В для детектора с плоскими электродами и 50-100 В для детектора с цилиндрическими электродами. В качестве радиоактивного источника в детекторах, работающих при температурах до 225°С, наиболее часто применяется тритий, а для работ при более высоких температурах - радиоактивный изотоп никель-63. Газом-носителем при использовании электронно-захватного детектора обычно служит высокочистый азот. Лишь при использовании наиболее совершенных и высокочувствительных схем с импульсным питанием и демодуляцией выходного сигнала оказывается необходимым применять аргон, содержащий до 10% метана [219]. В тех случаях, когда селективность электронно-захватного детектора имеет подчиненное значение и на первый план выходит высокая чувствительность это-

го детектора, в качестве газа-носителя может применяться и чистый аргон, как, например, при газовой хроматографии смесей летучих хлоридов или гидридов различных элементов (не содержащих в своем составе веществ, в молекулах которых отсутствуют атомы галогенов или металлов, обусловливающие высокую чувствительность электронно-захватного детектора к этим соединениям).

Собственный объем электронно-захватного детектора по ряду причин не может быть очень малым. Показано, что расстояние между радиоактивным источником и катодом детектора с импульсным питанием (импульсы длительностью 1 мс с амплитудой 50 В) не должно быть меньше 10 мм, во избежание попадания на катод положительных ионов, искажающих сигналы детектора [220]. Поэтому применение капиллярных колонок с диаметром менее 0,5 мм с этим детектором возможно лишь при наличии вспомогательного газового потока, обеспечивающего достаточно быструю транспортировку элюируемых из колонки компонентов к детектору и интенсивный газообмен в нем.

Первые работы, в которых электронно-захватный детектор был применен в сочетании с капиллярной колонкой, выполнили Лавлок и Грегори [221], а также Златкис [222]. Этот вид детектирования в дальнейшем стал одним из наиболее распространенных при работе с капиллярными колонками.

Рядом исследователей было установлено, что чувствительность электронно-захватного детектора ко многим веществам может быть существенно увеличена, если в газе-носителе содержатся небольшие примеси кислорода или других окислителей типа закиси азота N2O. Так, Кэмпбелл и Гримсруд [223] применяли в качестве газа-носителя гелий, к которому перед поступлением в детектор добавляли азот, содержащий примерно 2% кислорода. На капиллярной колонке размером 15 м х 0,25 мм с полисилоксаном SE-52 в качестве неподвижной фазы проводили разделение 1-, 2- и 9-изомеров хлорантрацена. При этом было установлено, что чувствительность электронно-захватного детектора увеличилась для всех изученных изомеров, однако для 1-хлорантрацена в 4 раза, для 2-хлорантрацена - в 7 раз, а для 9-хлорантраце- на - в 21 раз. Интересно, что увеличение чувствительности детектора по отношению к смеси названных изомерных хлорантраце- нов было аддитивным и пропорциональным мольным долям каждого изомера в смеси.

Исследования [224, 225] показали, что примесь N2O в газе-носителе, составляющая всего 25-40 млн“', приводит к значительному увеличению чувствительности электронно-захватного детектора, так что с его помощью становится возможным детектирование

моноксида углерода на уровне фоновых концентраций в атмосфере, составляющих 20-80 млрд"1. Закись азота вводили в газ-носитель (азот высокой чистоты) перед его поступлением в детектор. Источником закиси азота служила емкость из нержавеющей стали объемом 250 мл, заполненная N2O под давлением 4 кг/см2 и снабженная полупроницаемой мембраной [225]. Расход закиси азота в этой системе не превышал 300 см3 в год. При величине пробы воздуха 2,2 мл предельно детектируемое количество СО составляло 16 иг в пробе. Линейный отклик детектора при этом сохранялся в диапазоне от 16 нг до 2 млн"' (т.е. от 3,4 • 10й до 5,3 ■ Ю1^ молекул СО в пробе). О значительном увеличении чувствительности электронно-захватного детектора при добавлении в газ-носитель N,0 сообщают также авторы работ [226-228]. В последней работе также указано, что добавка закиси азота к газу-носителю увеличивает чувствительность электронно-захватного детектора к воде в 260 раз. Авторы этих работ отмечают, что разные изомеры органических соединений показывают разное увеличение чувствительности. Так, например, орто- и «яра-толуидины различаются по чувствительности в 3 раза, а бенз[д]пирен и бенз[е]пирен - в 21 раз. Имеются примеры совместного использования электронно-захватного и пламенно-ионизационного детекторов [229]. Параллельное присоединение этих двух детекторов на выходе одной капиллярной колонки увеличивает объем получаемой информации и существенно облегчает идентификацию пиков неизвестных соединений на хроматограмме.

Наиболее новые конструкции электронно-захватного детектора, например миниатюрный детектор HP 6890 фирмы “Хьюлетт-Паккард” (США) [230], имеют очень высокую чувствительность, позволяющую регистрировать, например, менее 8 х 10"15 г линдана в пробе (рис. 85).

Линейный диапазон этого детектора также достаточно широк и превышает 104. При анализе объектов окружающей среды на содержание пестицидов или полихлорированных бифенилов такой детектор позволяет работать с пробами, содержащими менее 50 х 10-13 г этих соединений.

Наличие даже очень мягких радиоактивных источников в конструкции электронно-захватных детекторов вызывает определенные неудобства и ограничения в их использовании. Поэтому предпринимаются попытки создания электронно-захватных детекторов без радиоактивных изотопов, в которых достаточная концентрация свободных электронов с малой энергией осуществляется за счет ионизации молекул газа-носителя с помощью достаточно сильных электрических полей или за счет термической эмиссии электронов с нагретого до высокой температуры като-

Рис. 85. Миниатюрный электронно-захватный детектор (фирма Хьюлетт-Пакаард, США)

- вход газа из колонки; 2 - полость детектора; 3 - радиоактивный источник; 4 - коллекторный электрод; 5 - выход газа

да. В литературе имеется описание целого ряда таких конструкций, например в работах [231, 232], однако до настоящего времени широкого распространения такие системы не получили.

Описаны многочисленные способы получения производных определяемых соединений, обеспечивающих высокую чувствительность электронно-захватного детектора. Среди них можно отметить трифторацетаты [233, 234], перфторпропионаты и перфторбутираты [235-237], пентафторбензоаты [238] и другие соединения. Одним из наиболее удобных реактивов для этой цели является пента фторфенилдиме- тилхлорсилан и другие аналогичные пентафторфенилдиалкил- хлорсиланы [239].

При всех достоинствах электронно-захватного детектора при работе с ним отмечаются и определенные трудности. Так, при очень малых концентрациях детектируемых веществ в пробах (менее 20 пг) наблюдались весьма значительные расхождения получаемых количественных результатов [240]. Тем не менее, электронно-захватный детектор остается одним из наиболее удобных, чувствительных и широко применяемых в газовой хроматографии детектирующих систем, в том числе и при работе с

капиллярными колонками.

Интересно, что избирательностью, сходной с электронно-захватным детектором, обладает также “обратный” пламенно-ионизационный детектор [242], в котором газ-носитель из колонки подается в пламя кислорода, горящего в среде чистого водорода. Такой детектор проявляет высокую чувствительность к металло-

органическим соединениям типа ферроцена, тетраэтилсвинца, тетраэтил олова и т.п. С большой чувствительностью регистрируются также соединения азота. Отклик этого детектора на вещества углеводородного характера оказывается на два-пять порядков величины меньше, что делает возможным его применение для избирательного детектирования перечисленных выше компонентов в сложных смесях [243-245].

Для избирательного детектирования веществ, содержащих азот и фосфор, т.е. в первую очередь для обнаружения фосфорсодержащих пестицидов, следов фосфорсодержащих боевых отравляющих веществ или продуктов их уничтожения либо распада в окружающей среде приобрел достаточно широкое распространение еще один вариант пламенно-ионизационного детектора - термоионный детектор, часто именуемый также фосфорным или азотно-фосфорным детектором [246-249]. Этот детектор представляет собой пламенно-ионизационный детектор, в пламя которого вводят пары щелочных металлов - натрия, калия, рубидия или цезия. Для этого кончик горелки детектора, непосредственно соприкасающийся с пламенем, выполняют из какой-либо соли щелочного металла [246, 247], либо из содержащей такую соль керамики [248], В некоторых конструкциях вблизи пламени или просто в корпусе детектора располагают шарик из содержащего соли щелочных металлов (рубидия или цезия) стекла [249], иногда с отдельным миниатюрным электрическим нагревателем. При оптимальном режиме работы термоионный детектор обеспечивает возможность детектирования lOr^-lO”" г соединений, содержащих фосфор, причем чувствительность его к таким веществам в три-пять тысяч раз превышает чувствительность к углеводородам. Механизм детектирования в термоионном детекторе в полной мере не выяснен.

Часто термоионный детектор комбинируют с обычным пламенно-ионизационным детектором, что создает возможность одновременной регистрации сигналов обоих этих детекторов. При определенных режимах работы термоионный детектор может проявлять высокую селективность и чувствительность к веществам, содержащим атомы азота и галогенов. Линейный диапазон этого детектора достигает 1СН. Как и пламенно-ионизационный детектор, термоионный детектор вполне пригоден для работы с капиллярными колонками. Чувствительность этого детектора в общем пропорциональна содержанию азота или фосфора в определяемых веществах, однако в зависимости от особенностей их молекулярного строения может различаться более чем на один порядок величины. Кроме того, термоионному детектору прису-

Рис, 86. Термоаэрозольный азотно-фосфорный детектор

/ - крышка; 2, 6 и /9 - изоляторы; 3 - коллекторный электрод; 4 - спираль поджига; 5 - вывод поляризующего электрода; 7 и 2/ - нагреватели: 8 - корпус детектора; 9 - поляризующий электрод; 10 - горелка; 11- основание детектора; 12 - хромате графическая колонка; 13 и 18 - уплотнения; 14 - вход водорода; 15 - подача воздуха; 16 - поток азота через генератор аэрозоля; 17 - подача охлаждающей воды; 20 - водяная рубашка; 22 - лодочка с бромидом цезия; 23 - электрический вывод к электрометрическому усилителю; 24 - выход газов

ща трудноконтролируемая неустойчивость в работе, связанная с довольно частой потерей активности источника ионов щелочного металла [250-256] (рис. 86).

С целью устранить эту неприятную особенность ранних конструкций термоионного детектора было предложено подавать в пламя детектора соль щелочного металла (бромида цезия) с необходимым для горения потоком воздуха в виде аэрозоля, поступающего из специального генератора [257-259] (рис. 86).

Генератор представляет собой нагретую до 400°С трубку, в которой располагается лодочка с кристаллами бромида цезия.

Через трубку пропускают поток воздуха, уносящий испаряющуюся соль. Непосредственно после нагретой трубки с бромидом цезия помещался охлаждаемый водой холодильник, где и происходит формирование аэрозоля. При выключении нагрева генератора это устройство превращается в обычный пламенно-ионизационный детектор (рис. 86).

Такой термоионный детектор работает очень устойчиво. В лаборатории автора такой детектор интенсивно эксплуатировался в течение трех лет при разработке метода определения противосудорожных средств в плазме крови детей, страдающих эпилепсией [260-262] (рис. 87).

Интересные способы модификации пламенно-ионизационного детектора с целью превращения его в термоионный детектор предложены в работе [263] и в последнее время в работе [264]. В последней работе соль щелочного металла подают в виде слабого водного раствора в пламя обычного пламенноионизационного детектора через кварцевый капилляр диаметром 50 мкм под действием шприцевого насоса для жидкостной хроматографии высокого разрешения [применяли насос “Вариан 8500” фирмы “Вариан” (США)]. Скорость подачи раствора, равную 3 мкл/мин, достигали с помощью присоединенного к насосу делителя потока, состоящего из двух отрезков кварцевого капилляра диаметром 50 мкм. Один из этих отрезков длиной 10 м был присоединен к детектору, а второй отрезок длиной 1,5 м обеспечивал нужное соотношение потоков в делителе и необходимую скорость подачи раствора. В корпус детектора раствор соли с концентрацией 150 мг/л поступал через тонкий металлический капилляр диаметром 0,45 мм, закрепленный в металлическом кольце высотой 3 мм с внутренним диаметром 8,1 мм так, что конец капилляра находился вблизи центра кольца (рис. 88). Само это кольцо было установлено коаксиально над горелкой детектора на высоте примерно 5 мм от края ее выходного отверстия. Положение кончика капилляра можно было изменять по горизонтали и по вертикали, чтобы найти его оптимальное положение. При сопоставлении солей различных щелочных металлов было найдено, что лучшие результаты получаются при использовании бромида цезия; несколько хуже работает хлорид цезия и существенно хуже - соли лития, калия и натрия. Этот детектор успешно работал в сочетании с колонкой НР-1 (неподвижная фаза - полидиметил- силоксан) длиной 25 м и диаметром 0,32 мм при температурах до 220°С. При отключении подачи раствора соли этот детектор мог работать как обычный пламенно-ионизационный детектор.

II

I

I

Время, мин

Рис. 87. Зарегистрированные термоаэрозольным детектором хроматограммы экстрактов, содержащих азотсодержащие антиконвульсивные средства и опиумные алкалоиды

а - хроматограмма 0,1%-ного раствора анти конвульсивных лекарств, полученная на кварцевой капиллярной колонке размером 10 м х 0,25 мм с полисилоксаном OV-17 в качестве неподвижной фазы при программировании температуры от 200 до 230 °C со скоростью 6 град./мин; / - этанол; 2 - фенобарбитал (1,1 мг/мл); 3 - гексамидин (1,05 мг/мл); 4 - дифенин (1,17 мг/мл); б - хроматограмма 0,01%-ного раствора смеси опиумных алкалоидов в бутаноле, полученная при 290°С на стеклянной наполненной колонке размером 0,3 м х 3 мм, заполненной Инертоном N-AW с 5% полисилоксана SE-30; / - н-бутанол; 2 - кодеин (0,124 мг/мл); 3 - морфин (0,202 мг/мл); 4 - папаверин (0,122 мг/мл); 5 - наркотин (0,228 мг/мл) [Ленчик Н.В., Руденко Б.А., Фармация. 1986. Т. 35, № 5. С. 33-37]

Имеются конструкции термоионного детектора, в которых отсутствует открытое пламя и образование ионов детектируемых соединений происходит в условиях беспламенного горения очень малого количества подаваемого в детектор водорода.

Приведенные данные показывают, что в настоящее время имеются такие конструкции термоионного азотно-фосфорно-

Рис. 88. Подача соли щелочного металла в пламенно-ионизационный детектор

1 - соединительная втулка “Свейджлок": 2 - бронзовое кольцо; 3 - уплотнение; 4 - керамическая втулка; 5 - металлический капилляр с внутренним диаметром 0,25 мм: б - кварцевый капилляр (длина 10 м, диаметр 0,05 мм); 7 - металлическое кольцо; 8 - коллекторный электрод; 9 - горелка детектора. Стрелки показывают направления возможных перемещений кольца при регулировке. В кружке показан вид кольца сверху; цифры показывают возможные расстояния конца металлического капилляра от центра горелки, устанавливаемое при оптимизации режима детектора

го детектора, которые обеспечивают возможность столь же устойчивой и длительной работы, как и пламенно-ионизационный детектор с сохранением высокой чувствительности и селективности. Это позволяет определять очень малые примеси веществ, содержащих азот или фосфор, как, например, в работе [265], где определяли следы регулятора роста растений даминозида (М,К-диметиламидомоногидразида янтарной кислоты), предположительно обладающего канцерогенной активностью. При гидролизе в объектах окружающей среды этот препарат образует высокотоксичный 1,1-диметилгидразин, широко используемый в качестве ракетного топлива. В этой работе применяли две кварцевые капиллярные колонки длиной 30 м и диаметром 0,25 мм с полисилоксанами CP-SH5CD и DB-1701 в сочетании с термоионным детектором NPD-80 фирмы “Физонс” (Италия). При величине пробы почвы 10 г предельно обнаруживаемое содержание даминозида составляло 1,9 мкг/кг.

Среди других детектирующих систем важное значение имеет пламенно-фотометрический детектор (рис. 89), селективно реги-

Рис. 89. Пламенно-фотометрический детектор

/ - крышка; 2 - спираль поджига; 3 - кварцевая трубка; 4 - конус; 5 - горелка; 6 - корпус детектора; 7 - основание; 8 - нагреватель; 9 - колонка; 10 - уплотнение; 11 - вход водорода; /2 - вход воздуха; 13 - тепловой фильтр; 14 - тепловая развязка; 15 - радиатор; /6 - оптический фильтр; 17 - фотоумножитель; 18 - коаксиальный разъем к усилителю [Сакодынский К.И. и др., Приборы для хроматографии, Москва: Машиностроение. 1987. С. 99]

стрирующий соединения, содержащие серу и фосфор и широко используемый при анализе нефтепродуктов, а также при изучении загрязнений окружающей среды. Действие этого детектора основано на регистрации с помощью фотоэлементов или фотоумножителей излучения в спектральных линиях эмиссионных спектров серы и фосфора, возникающих при сгорании содержащих эти элементы соединений в водородном пламени при некотором недостатке окислителя. Собственное излучение пламени экранируется, а эмиссионные линии излучения, возникающего непосредственно над пламенем, выделяются с помощью соответствующих светофильтров или монохроматоров. Для регистрации сернистых соединений используют фильтр, соответствующий длине волны 394 нм, а для веществ, содержащих фосфор - 526 нм [266-269]. В настоящее время описаны и производятся промышленностью многочисленные модели пламенно-фотометрических детекторов, позволяющих одновременно регистрировать и сернистые и фосфорные соединения. Некоторые модели имеют коллекторный электрод и могут одновременно выполнять функ-

ции пламенно-ионизационного или термоионного детектора (рис, 89).

Чувствительность пламенно-фотометрического детектора весьма высока и достигает Ю“9-]0“10 г для сернистых соединений и Ю'^-Ю-12 г для фосфорных соединений. Сигнал детектора пропорционален концентрации фосфора в пробе в пределах примерно шести порядков величины. Для серы сигнал детектора изменяется с концентрацией по степенному закону

/ = КС“, (7-4)

где / - сигнал детектора; С -концентрация серы в пробе; К - константа; а - показатель степени, обычно близкий к двум. Применяя соответствующие оптические фильтры, пламенно-фотометрические детекторы с успехом используют для избирательного детектирования соединений, содержащих медь, железо, хром и некоторые другие элементы [270, 271].

Сходными по принципу действия с пламенно-фотометрическими детекторами являются детектирующие устройства, в которых измеряется интенсивность эмиссии высокочастотной плазмы [272—276]. В одной из недавних работ по этому направлению [277] плазму формируют, зажигая разряд в гелии при частоте питающего высокочастотного поля 350 кГц в кварцевом капилляре диаметром 0,32-1,0 мм или прямо в концевой части капиллярной колонки длиной 25 м и диаметром 0,32 мм с пленкой полисилоксана толщиной 0,17 мкм. При анализе полихлорированных бифенилов для определяемых соединений были найдены соотношения элементов С/С1 и С/Вг, которые хорошо совпадали с теоретическими значениями.

В последние годы в газохроматографической аппаратуре ряда фирм используют детекторы, работающие по принципу атомной абсорбции [278-280]. Такие приборы, хотя и весьма дорогостоящие, в ряде случаев оказывают неоценимую пользу, например при определении следов боевых отравляющих веществ и продуктов их распада в объектах окружающей среды [281,282].

Исключительно важной группой детектирующих систем являются хемилюминесцентные детекторы, регистрирующие излучение, возникающее при реакции определяемых соединений или продуктов их химических превращений с озоном (рис. 90).

Перспективными системами являются озоновые детекторы, селективно регистрирующие непредельные соединения на основе их очень энергичного взаимодействия с озоном.

Рис. 90. Озоновый хемилюминесцентный детектор, селективный по отношению к непредельным соединениям

1 - кварцевое окно: 2 - оптический фильтр: 3 - фотоумножитель: 4 - водяная рубашка; 5 - реакционная камера; 6 - изолятор; 7 - нагреватели; 8 - вход газа-носителя из колонки; 9 - вход воздуха, содержащего озон; 10 - выход газов

При реализации этого принципа возможны два различных подхода.

В первом из них элюируемые из хроматографической колонки непредельные соединения реагируют с озоном в реакторе барботажного типа, где и задерживаются все продукты озонолиза. Концентрация озона в отходящем из реактора газе измеряется по поглощению ультрафиолетового излучения в специальной ячейке [283, 284]. Появление непредельного соединения в элюате приводит к соответствующему снижению концентрации озона в выходящем из реактора газе. Это изменение концентрации регистрируется в форме хроматографического пика. При наличии каких-либо данных о концентрации компонентов можно указать число и характер двойных связей в них.

Второй метод использует явление хемилюминесценции, возникающей при реакции органических соединений с озоном [285]. Одна из конструкций такого детектора представлена на рис. 90.

Таблица 3

Относительная чувствительность озонового детектора к различным типам углеводородов (отношение минимально детектируемых концентраций) [285]

Компонент

Температура, °C

50

100

150

175

200

i 225

250

Пропанбензол

2.8 10-1

6,1

1.8

0,6

0,3

Пропанэтилен

-

—

1,6 10s

1,4 1U4

26

6.7

2,9

Пропанацетилен

-

-

4,2! О3

4.Т I04

82

16

5.4

Пропанпропадиен

-

-

5,9 105

4,7-104

64

12

4.5

Бензолэтилен

-

3,9-102

59

24

14

11

11

Бензолацетилен

-

5,1 102

1.5 I02

66

45

27

20

Бензолпропаднен

-

1,3 ю2

2,1 !0г

16

36

20

I7

Этиленацетилен

1,6

1.3

2,6

2,8

6,3

2.5

1,8

Этнленпропадиен

3,2

3,4

3.5

3,2

2,5

1.9

1.5

А цетиленпропадие н

2,0

2,6

1.4

1.1

0,79

0.75

0,85

Излучение хемилюминесценции фиксируется с помощью фотоумножителя. Это позволяет получить весьма высокую общую чувствительность, достигающую для непредельных соединений 10'" моль/сек.

Чувствительность детектора к предельным углеводородам существенно меняется при изменении температуры: отношение интенсивностей сигналов пропана и этилена при 150°С составляет 1,6 ■ 105, а при 250°С - всего 2,9. Некоторые данные, характеризующие различия в чувствительности этого детектора к веществам разной степени ненасыщенности, представлены в табл. 3. Выше 300°С чувствительность детектора резко уменьшается вследствие интенсивного термического разложения озона (рис. 91).

Сигнал такого детектора остается линейно связанным с концентрацией компонента по крайней мере до величины пробы 10-6 г при 250°С и до lO'^-lO"1 г при 150°С (рис. 92).

При прочих равных условиях чувствительность детектора возрастает примерно пропорционально концентрации озона в кислороде, подаваемом в ячейку. Наличие вспомогательного газового потока, транспортирующего озон в ячейку, малый объем газовых коммуникаций, соединяющих колонку с реакционной камерой, высокая скорость реакции озона с органическими соединениями и высокая чувствительность делают вполне возможным применение такого детектора в капиллярной хроматографии.

В 1980-х гг. получил распространение высокоселективный по сере хемилюминесцентный детектор, работающий по следую-

3

Время, минВремя, минРис, 9L Сравнение хроматограмм, зарегистрированных озоновым хемилюминесцентным и пламенно-ионизационным детекторамиа - озоновый детектор, 100°С; б - озоновый детектор, 250°С; в - пламенноионизационный детектор; / - метан; 2 - этан; 3 - этилен; 4 - пропан; .5 - пропен; 6 - изо-бутан; 7 - н-бутан; 8 - бутен-1; 9 - изо-бутен; 10 - транс-бутен-2; II - изо-пентан; 12 - цис-бутен-1; 13 - н-пентан; 14 - бутадиен-1,3Рис, 9L Сравнение хроматограмм, зарегистрированных озоновым хемилюминесцентным и пламенно-ионизационным детекторамиа - озоновый детектор, 100°С; б - озоновый детектор, 250°С; в - пламенноионизационный детектор; / - метан; 2 - этан; 3 - этилен; 4 - пропан; .5 - пропен; 6 - изо-бутан; 7 - н-бутан; 8 - бутен-1; 9 - изо-бутен; 10 - транс-бутен-2; II - изо-пентан; 12 - цис-бутен-1; 13 - н-пентан; 14 - бутадиен-1,3

Время, мин

Время, мин

Рис, 9L Сравнение хроматограмм, зарегистрированных озоновым хемилюминесцентным и пламенно-ионизационным детекторами

а - озоновый детектор, 100°С; б - озоновый детектор, 250°С; в - пламенноионизационный детектор; / - метан; 2 - этан; 3 - этилен; 4 - пропан; .5 - пропен; 6 - изо-бутан; 7 - н-бутан; 8 - бутен-1; 9 - изо-бутен; 10 - транс-бутен-2; II - изо-пентан; 12 - цис-бутен-1; 13 - н-пентан; 14 - бутадиен-1,3

Рис, 9L Сравнение хроматограмм, зарегистрированных озоновым хемилюминесцентным и пламенно-ионизационным детекторами

а - озоновый детектор, 100°С; б - озоновый детектор, 250°С; в - пламенноионизационный детектор; / - метан; 2 - этан; 3 - этилен; 4 - пропан; .5 - пропен; 6 - изо-бутан; 7 - н-бутан; 8 - бутен-1; 9 - изо-бутен; 10 - транс-бутен-2; II - изо-пентан; 12 - цис-бутен-1; 13 - н-пентан; 14 - бутадиен-1,3

щему принципу. Газ-носитель из хроматографической колонки поступает в обогащенное водородом пламя подобно тому, как это происходит в пламенно-фотометрическом детекторе. При сгорании в этом пламени органических соединений, содержащих серу, на первой стадии ее окисления образуется неустойчивый моноксид серы, SO [286]. Обычно в пламени это соединение далее очень быстро окисляется до диоксида серы. Однако в описываемом детекторе с помощью тонкого фарфорового зонда с внутренним диаметром около 1 мм отсасывают вакуум-насосом из средней зоны пламени газы, содержащие еще не успевший окислиться далее моноксид серы. Через соединительную коммуникацию длиной около 1 м эти газы поступают в реакционную камеру, куда одновременно подают поток воздуха, содержащего озон.

Рис. 92. Зависимость сигнала озонового детектора (площадь пика, выраженная числом импульсов) от величины пробы при разных температурах

а - 100°С; 5 - 250°С; / - ацетилен; 2 - этилен; 3 - н-бутан

При окислении моноксида серы озоном образуются возбужденные молекулы диоксида серы, которые теряют избыток энергии в виде квантов света в УФ-диапазоне. Это излучение выделяют надлежащими светофильтрами и регистрируют с помощью фотоумножителей и соответствующих усилителей сигналов (рис. 93).

Если в состав анализируемой смеси входят вещества, содержащие окисленную серу (сульфоксиды, сульфоны, эфиры серосодержащих кислот и др.), то при сгорании в водородном восстановительном пламени входящая в их состав сера восстанавливается до того же моноксида серы и далее регистрируется как описано выше [287]. Таким образом, этот детектор реагирует только на атомы серы, вне зависимости от того, в какой химической форме сера поступает в пламя. По указанным причинам этот детектор отлично регистрирует также и неорганические серосо-

Рис. 93. Хемилюминесцентный детектор SCD 350В (фирма “Сиверс Инстр. , США), селективно детектирующий соединения, содержащие серу

/ - газовый хроматограф; 2 - сжатый воздух; 3 - водород; 4 - пламенно-ионизационный детектор; 5 - фарфоровый зонд для отбора газов из пламени; 6 - регулятор скорости газа; 7 - фильтр; 8 - ограничительный клапан скорости подачи воздуха; 9 - генератор озона; /0 - реакционная камера; // - фотоумножитель; /2 - усилитель; 13-самописец; 14 -датчик давления; /5 - вакуум-насос

держащие соединения, такие как CS,, H2S, SO2, COS, SO3. Вследствие этого он нашел широкое применение для контроля технологических процессов очистки природного газа и переработки нефти [288].

При очень высокой чувствительности (предельно детектируемое количество серы в пробе составляет (5-10) ■ I0"12 г) детектор обладает очень широким линейным динамическим диапазоном порядка 105-106 и, что очень важно в практической работе, его сигнал совершенно не зависит от химического окружения атомов серы в детектируемых соединениях [289]. Этот детектор отлично работает в сочетании с высокоэффективными капиллярными колонками, что особенно важно при изучении содержащих серу загрязнений окружающей среды [290, 291] (рис. 94).

Исключительно важное значение имеет разновидность хемилюминесцентного озонового детектора, названная его авторами “анализатор термической энергии” [292, 293] и предназначенная для селективного детектирования соединений общей формулы R|R:N-NO, называемых нитрозаминами. Эти вещества очень часто образуются при разнообразных термических процессах, в том числе при жарении и копчении пищевых продуктов. Многочисленными исследованиями установлено, что эти соединения обладают явно выраженной канцерогенной активностью [294], что и определяет острую необходимость контроля их содержания в питьевой воде и в пищевых продуктах [295]. Принцип действия этого детектора заключается в том, что покидающие хроматографическую колонку в токе газа-носителя нитрозамины подвергаются каталитическому разложению при повышенной температуре с образованием моноксида азота, NO. Это соединение далее с потоком газа-носителя поступает в реакционную камеру, где реагирует с озоном, подаваемым в ту же камеру с потоком воздуха. При этом образуются возбужденные молекулы диоксида азота, NO2, теряющие энергию возбуждения в виде квантов красного света (вблизи видимой границы спектра). Это излучение выделяется с помощью темнокрасных светофильтров и улавливается фотоумножителем. Чувствительность детектора очень высока и отвечает содержанию нитрозаминов в пробе на уровне сотен пикограмм на килограмм. Как и другие озоновые детекторы, это устройство хорошо работает в сочетании с капиллярными колонками.

С помощью этого детектора, применяя стеклянные и кварцевые капилляры, с успехом определяли содержание нитрозаминов в сигаретном дыме [296], пиве и жареном мясе [297], коп-

35

Рис. 94. Хроматограммы, полученные с помощью серного хемилюминесцентного детектора

й - серосодержащие компоненты нефтяного загрязнения морской воды (район г. Таганрог); б - судового дизельного топлива. Кварцевая капиллярная колонка длиной 25 м и диаметром 0,25 мм с полидиметил силоксаном SE-54 в качестве неподвижной фазы. Программирование температурь! от 60 до 280 °C со скоростью нагрева 10 град/мин; / - метил бензотиофены; 2 - ди мети л бензотио ■ фены; 3 - дибензотиофен; 4 - метилдибензотиофены; 5 - ди мети л дибензотиофены

ясностях [298] и в других объектах. При этом применяли капиллярные колонки с полисилоксанами и с высокомолекулярным полиэтиленгликолем Суперокс с молекулярной массой более 4 миллионов а.е.м. Опубликован довольно подробный обзор данных по этому детектору с многочисленными примерами его применения [299].

Интересно отметить, что этот детектор может быть использован не только в газовой хроматографии, но также и в жидкостной хроматографии высокого разрешения. В этом случае поступающий из колонки элюат подвергается пиролизу при 550°С и продукты пиролиза направляются в детектор в потоке вспомогательного газа. Таким путем успешно определяли /V-нитрозамины в пиве, жареном мясе, копченой рыбе и в других продуктах [300].

Несмотря на очевидные преимущества рассмотренного озонового детектора, для хроматографического определения нитрозами-

Рис. 95. Хемилюминесцентный детектор с парами натрия

/ - газ-носитель из колонки; 2 - тройник типа ‘‘Свейджлок” (1/2 дюйма); 3 - заглушка типа “Свей- джлок” (1/2 дюйма); 4 - трубка из нержавеющей стали; 5 - кварцевое окно; 6 - к вакуум-насосу

нов часто применяют также и более доступный пламенно-фотометрический детектор, как, например, в работе [301],

Интересный вари

ант хемилюминесцент

ного детектора описали Ямада и сотр. [302]. Газ-носитель из хроматографической колонки через капилляр диаметром 0,8 мм поступает в камеру диаметром 7 мм и длиной 80 мм, нагретую до 34О-38О°С. В камере в специальном металлическом сосуде, в качестве которого используется заглушка из комплекта деталей “Свейджлок", находится небольшое количество металлического натрия (рис. 95). С помощью вакуум-насоса в камере поддерживается давление 2-10 мм рт. ст. (0,25-1,5 кПа). Когда в камеру, атмосфера которой насыщена парами натрия, поступают органические вещества, содержащие галогены, то вблизи выходного отверстия капилляра возникает свечение хемилюминесценции в результате химической реакции галогенопроизводных с атомами натрия в паровой фазе. Это свечение через кварцевое окошко поступает на фотоумножитель и возникающий сигнал далее усиливается соответствующими электронными схемами.

Этот детектор обладает очень высокой чувствительностью, что позволяет регистрировать галогеносодержащие соединения на уровне 10“’°-10"14 г/сек, а его селективность даже выше, чем у электронно-захватного детектора. С его помощью оказывается возможным детектировать около 1 пг трихлорэтилена, около 3 пг четыреххлористого углерода и 0,1-10 нг фреонов. Повышению чувствительности детектирования при этом способствуют такие особенности структуры детектируемых молекул, как нали

чие двух, трех или четырех атомов хлора у соседних атомом углерода, как в дихлорэтане, или наличие атомов хлора у соседних атомов углерода, связанных двойной связью, как в тетрахлорэти-

лене. В то же время детектор абсолютно нечувствителен к большинству соединений, содержащих кислород, серу и азот, а также к алифатическим и ароматическим углеводородам. Эти весьма полезные качества с избытком компенсируют неудобства, связанные с необходимостью применения вакуума и с периодическим добавлением металлического натрия (1 г натрия достаточно для работы детектора в течение 40 часов), что обещает такому детектору достаточно широкую область применения.

Описанный хемилюминесцентный детектор определенно может работать в сочетании с капиллярными колонками, заменяя при этом электронно-захватный детектор.

Интересной и важной группой детектирующих устройств являются фотоионизационные детекторы, приобретающие в последнее время всё более широкое распространение в практике газовой хроматографии, особенно в приборах, предназначенных для полевых анализов, выполняемых непосредственно на месте отбора проб. В этих детекторах, в отличие от радиоионизацион- ных и пламенно-ионизационных детектирующих устройств, ионизация определяемых соединений осуществляется под действием УФ-излучения с энергией квантов, превышающих потенциал ионизации детектируемых соединений.

По своей конструкции фотоионизационные детекторы представляют собой сочетание источника УФ-света и ионизационной камеры. Возникновение УФ-излучения под действием электрического разряда может происходить либо в объеме, непосредственно сообщающемся с ионизационной камерой, либо в отдельном объеме, отграниченном от ионизационной камеры прозрачной для УФ-света перегородкой.

В первом случае ионизационная камера не отделена от излучателя, так что возможно движение газа из одного объема в другой. При этом давление газа одинаково и в источнике излучения и в ионизационной камере. Источником излучения в детекторах такой конструкции может быть тлеющий разряд. В зависимости от характера применяемого газа детектор может детектировать те вещества, потенциал ионизации которых ниже энергии квантов света, испускаемого излучением разряда. Так, например, применение в качестве разрядного газа гелия делает детектор универсальным, так как в спектре тлеющего разряда в гелии имеется интенсивное УФ-излучение с длиной волны до 50 нм, то есть с энергией фотонов 24,3 эВ, что превышает потенциалы ионизации всех известных веществ.

При осуществлении тлеющего разряда в гелии максимум энергии выделяется в узких спектральных линиях, лежащих далеко в ультрафиолетовой области. Энергия квантов этого излу-

Рис. 96. Гелиевый фотоионизаци- онный детектор

/ - подвод вспомогательного потока гелия; 2 - электроды тлеющего разряда; 3 - камера тлеющего разряда; 4 - ионная ловушка; 5 - измерительная камера; 6 - катод; 7 - анод (никелевая трубка диаметром 1 мм); 8 - вход газа из колонки; 9 - выход газов

чения превышает потенциал ионизации большинства органических соединений, что поз

воляет сконструировать весьма,,11

миниатюрный фотоионизаци-О12^'м

онный детектор [303]. Как и в

случае аргонового детектора без радиоактивного изотопа, разряд осуществляется при давлении 1-2 кг/см2 в камере с двумя

вольфрамовыми электродами - заостренным и плоским, расположенными на расстоянии 0,1-0,3 мм друг от друга. В камеру с этими электродами поступает вспомогательный поток гелия (30-50 мл/мин), а элюат из колонки поступает непосредственно в ионизационную камеру (рис. 96). Однако в отличие от аргонового детектора (см. рис. 79) между разрядной и ионизационной камерами имеется заземленный коллекторный электрод, отводящий свободные заряды, образующиеся в разрядном промежутке.

Под действием ультрафиолетового излучения, возникающе

го в зоне разряда, поступающие из колонки органические соединения ионизируются и ионный ток фиксируется в качестве сигнала детектора. Любопытно, что в связи с тем, что максимум излучаемой энергии лежит в далекой ультрафиолетовой области, тлеющий разряд в гелии выглядит как тусклая звездочка интен

сивного фиолетового цвета.

Сходные системы, в которых разряд в газах осуществляется при атмосферном давлении, известны довольно давно [303-306]. Однако более устойчивый разряд обеспечивается в том случае, когда излучающий объем и ионизационная камера находятся при пониженном давлении [307-310]. В этом случае для возбуждения разряда можно использовать не только тлеющий разряд постоянного тока, но и СВЧ-разряд [310, 311]. Эти детекторы имели близкие характеристики и позволяли достичь предельно определяемых концентраций детектируемых веществ порядка 1010— 10 " г/мл (по пропану, бензолу и др.).

Несмотря на привлекательные характеристики, фотоиониза- ционные детекторы с неразделенными объемами не получили

широкого распространения вследствие определенной нестабильности разряда, связанной с диффузионным проникновением органических веществ из ионизационной камеры в зону разряда. Более успешными были усилия, направленные на создание таких детекторов, в которых зона разряда отделена от ионизационной камеры оптическим окном из подходящего материала, хорошо пропускающего коротковолновое УФ-излучение. По существу, такие детекторы представляют собой комбинацию лампы ультрафиолетового излучения и миниатюрной ионизационной камеры [312—314]. При этом применяются лампы, в которых возбуждается разряд в газах при давлении 10-15 Па, так что испускается излучение в отдельных спектральных линиях спектра заполняющего лампу газа. В практике используются водородные, дейтериевые, гелиево-криптоновые и гелиево-ксеноновые лампы. Такие лампы выпускаются многочисленными фирмами-производителями и различаются по величине так называемой “номинальной энергии”, - условного параметра, в известной степени характеризующего ионизирующую способность излучения данной лампы. Так, например, излучение криптоновой лампы с номинальной энергией 1 ] ,7 эВ обеспечивает ионизацию практически всех органических соединений, а излучение лампы с номинальной энергией 10,2 эВ ионизирует преимущественно ароматические, непредельные и содержащие кислород и азот соединения (бензол, фенол, диеновые углеводороды, анилин и др.) [316]. Различия в ионизирующей способности определяют и соответствующую разницу в чувствительности детектирования в 10-50 раз и более. Эти различия в чувствительности используют для идентификации пиков на хроматограммах [316-318].

Фотоионизационный детектор может быть использован в таком режиме, когда формирование полезного сигнала осуществляется за счет уменьшения фонового тока, то есть в режиме электронно-захватного детектора [319, 320]. При этом была достигнута величина предельно детектируемого количества пестицида гептахлордициклопентадиена, равная 10"12 г [320]. Такой детектор выгодно отличается от обычных конструкций электронно-захватного детектора отсутствием радиоактивных изотопов.

Физические закономерности работы фотоионизационного детектора таковы, что его чувствительность увеличивается пропорционально величине объема ионизационной камеры. Тем не менее, удалось разработать конструкции фотоионизационных детекторов с эффективным объемом менее 10 мкл, вполне пригодные для работы с капиллярными колонками без снижения их эффективности. В настоящее время публикации по капиллярной хроматографии с фотоионизационными детекторами достаточно

многочисленны. В качестве примеров можно привести следующие работы. На стеклянной капиллярной колонке размером 50 м х 0,32 мм с Тритоном Х-305 в качестве неподвижной фазы определяли нитрозамины в пищевых продуктах [321]. С использованием кварцевых капиллярных колонок размером 50 м х 0,3 мм в работах [322, 323] определяли органические загрязнения в воздухе (углеводороды, кислородсодержащие соединения и др.). Анилин, его хлорпроизводные и другие азотсодержащие соединения в сточных водах промышленного предприятия определяли на стеклянной капиллярной колонке размером 30 м х 0,25 мм с полисилоксаном SE-52 в качестве неподвижной фазы [324]. Летучие ароматические углеводороды в осадках и полициклические ароматические углеводороды в городской пыли анализировали с помощью фотоионизационных детекторов на кварцевых капиллярных колонках длиной до 60 м и диаметром 0,25 и 0,32 мм с полисилоксаном DB-5 в качестве неподвижной фазы [325, 326]. Стероидные соединения в форме их пентафтор- фенилдиметил сил ильных производных успешно определяли на кварцевой капиллярной колонке размером 15 м х 0,33 мм при температурах до 275°С [327, 328]. Метадон в плазме крови определяли с использованием кварцевой капиллярной колонки длиной 25 м и диаметром 0,2 мм с предельно определяемым количеством вещества в пробе около 7 ■ 10"14 г [329].

В целом, в настоящее время фотоионизационные детекторы находят достаточно широкие области применения в газохроматографическом анализе с использованием капиллярных колонок. Более подробно особенности работы фотоионизационных детекторов и сферы их применения в газовой хроматографии рассмотрены в специализированных обзорах и монографиях [330, 331].

Органические соединения, меченые радиоактивными изотопами углерода |4С и трития, детектируются с помощью счетчиков радиоактивного излучения. В этом направлении выполнено очень большое число исследований, результаты которых обобщены с монографиях и обзорах, например [332-335]. Ряд теоретических вопросов и практических аспектов радиохроматографии освещены в работе венгерских исследователей [336]. Подробные описания радиоактивных детекторов, работающих в сочетании с кварцевыми капиллярными колонками, приведены в работах [337, 338]. В этих работах были использованы кварцевые капиллярные колонки длиной 12 м и более с полисилоксанами OV-101 и QF-1. При 23О°С с помощью радиоактивного детектора на хроматограммах были идентифицированы пики эстрогенов, меченых тритием и |4С. В работах [337-340] радиоактивные детекторы работали параллельно с пламенно-ионизационными дете-

кторами, регистрировавшими полную хроматограмму анализируемых смесей.

В течение полувекового развития метода газовой хроматографии в качестве детектирующих средств были опробованы и с большим или меньшим успехом применялись в аналитической практике детектирующие системы, базирующиеся на хорошо апробированных в аналитической практике физических методах исследования. Таковы детекторы, измеряющие светопоглощение в УФ-, видимом и ИК-диапазонах. Их применение в сочетании с капиллярной хроматографией затруднительно вследствие того, что малое поглощение света в газообразной среде требует довольно значительного объема оптических ячеек. Кроме того, в обычных вариантах ИК-спектроскопии время сканирования спектров достаточно велико и намного превышает время увеличения и уменьшения концентрации вещества, элюируемого из высокоэффективной капиллярной колонки. Поэтому получили определенное распространение лишь приборы, в которых капиллярная хроматография сочетается с ИК-спектроскопическими системами, фиксирующими ИК-спектр с Фурье-преобразованием, что позволяет преодолеть трудности, связанные с длительностью сканирования спектра [341, 342]. В то же время чувствительность современных светоприемников в ИК-диапазоне столь высока, что для регистрации ИК-спектра с Фурье-преобразованием оказывается достаточным использовать оптические ячейки в виде цилиндрического канала длиной 150-200 мм и диаметром 1,5-2 мм с полированными и позолоченными стенками [343-345]. Техническое выполнение такого канала сопряжено с весьма значительными трудностями и потому осуществляется лишь небольшим числом приборостроительных фирм и организаций достаточно высокого уровня. Давая обширную информацию о строении молекул детектируемых соединений, такие приборы оказывают огромную помощь при идентификации неизвестных компонентов анализируемых смесей.

В последние годы расширилась сфера применения детекторов, использующих атомно-эмиссионную и атомно-абсорбционную спектроскопию [346-350]. Эти детектирующие системы оказываются особенно полезными в тех случаях, когда анализируемые смеси органических соединений содержат не только обычные элементы-органогены, но и другие элементы - галогены, токсичные металлы, свинец, мышьяк, бериллий и др. Такие смеси часто встречаются, например, в практике анализа загрязнений окружающей среды или при контроле за уничтожением химического оружия [351-356].

Однако особенно важное значение в настоящее время имеет сочетание капиллярной хроматографии с методом масс-спектро-

метрии. Комбинация широчайших возможностей масс-спектрометрии в изучении структуры индивидуальных органических соединений с исключительно мощной разделяющей способностью капиллярных хроматографических колонок привела к возникновению и бурному развитию нового самостоятельного химико-аналитического метода - хромато-масс-спектрометрии. В настоящее время этот метод анализа является непревзойденным как по широте своей сферы применения, так и по богатству получаемой с его помощью химико-аналитической информации. Поэтому принципы хромато-масс-спектрометрии далее кратко изложены в следующем разделе, специально посвященному этому методу.

Существует еще целый ряд детектирующих устройств, которые применялись или могут применяться в сочетании с капиллярными колонками, например, ультразвуковые, высокочастотные, кулонометрические и др. Однако эти детекторы используются много реже, чем описанные здесь системы. Поэтому мы отсылаем интересующихся читателей к специальным руководствам по вопросам детектирования в газовой хроматографии [168, 170, 171, 175,357-363].

7.4. РЕГИСТРАТОРЫ. ЭКСПРЕСС-ХРОМАТОГРАФИЯ

Высокочувствительные детектирующие устройства, применяемые в капиллярной хроматографии, как правило, вырабатывают весьма слабый электрический сигнал, который может быть зафиксирован лишь после предварительного усиления в несколько сотен или тысяч раз. Поэтому регистрирующие системы современных хроматографических приборов включают высококачественные электронные усилители, соответствующие записывающие устройства и электронно-вычислительные машины.

Капиллярная хроматография, обеспечивая высокую эффективность разделения, приводит к тому, что пики отдельных компонентов имеют весьма небольшую ширину, что, в свою очередь, определяет относительно высокую скорость изменения электрического сигнала при элюировании переднего и заднего концентрационных фронтов хроматографической зоны. Так, например, если необходимо зафиксировать фронт пика компонента, элюируемого через 15 мин после ввода пробы из капиллярной колонки эффективностью 100 тыс. т. т., то его ширина в середине высоты составит всего 4 сек. Если пик должен полностью уложиться в пределах шкалы записывающего прибора (0-1 мВ), то скорость изменения сигнала при записи переднего и заднего фрон-

тов составит примерно 0,5 мВ/сек. Изменяющийся с такой скоростью сигнал может быть зарегистрирован с достаточной для практики точностью только в том случае, если постоянная времени регистратора будет по крайней мере на один порядок величины меньше, т.е. будет близка к 0,05 сек. При этом время отклонения указателя на всю шкалу составит примерно 0,1 сек. Такое быстродействие регистрирующего прибора в настоящее время считается минимально необходимым при работе с капиллярными колонками, При использовании для целей газовой хроматографии самопишущих потенциометров, выпускаемых, в основном, для теплофизических измерений и имеющих время пробега шкалы 1 сек, можно записать без существенных искажений лишь такие пики, которые соответствуют 1/2-1/3 шкалы при ширине пика не менее 20-30 сек. Если при этом эффективность колонки соответствует 30-50 тыс. т.т., то время удерживания компонентов, представляющих интерес для количественного анализа, не должно быть меньше чем 15-20 мин.

Указанные требования к регистрирующим устройствам, использующим электромеханический принцип записи сигналов, являются весьма жесткими. Источником затруднений, в частности, являются инерционные свойства механической системы перемещения указателя с пером или другим пишущим элементом, а также трение этого элемента о бумагу. Хотя регистрирующая аппаратура такого типа непрерывно совершенствуется, трудно ожидать появления самописцев с применяемой сейчас электромеханической системой записи, имеющих время пробега шкалы меньше 0,1 сек.

Более плодотворным для регистрации и последующего воспроизведения хроматограмм оказались электронно-вычислительные системы на уровне персональных компьютеров. Такие устройства встраиваются в состав современных хроматографов и хромато-масс-спектрометров, либо эти приборы соединяются с отдельными персональными компьютерами. Это позволяет наблюдать развитие хроматографического процесса на экране компьютерного дисплея.

Вся получаемая информация фиксируется в памяти компьютера и может быть в любое время вновь представлена на экране или распечатана в форме бумажного документа. Несколько достаточно представительных примеров таких устройств описаны в публикациях [364—369].

Приведенная выше оценка требуемых характеристик быстродействия регистрирующей системы позволяет оценить необходимую полосу частот пропускания вспомогательных электронных устройств, таких, как усилители, интеграторы и т.п. Можно

считать, что при работе с капиллярными колонками минимально допустимая полоса пропускаемых частот должна быть не менее 10-20 Гц. Такую полосу пропускания регистрирующих устройств ранее обеспечивали только малоинерционные записывающие системы, такие, как быстродействующие гальванометрические самописцы, устройства для фотографической записи на светочувствительной бумаге, шлейфовые и электронные осциллографы и т.п. В настоящее время применяемые для обработки хроматографической информации компьютерные системы обладают, как правило, на несколько порядков величины большим быстродействием и поэтому полностью обеспечивают возможность решения этой проблемы.

Для усиления слабых электрических сигналов ионизационных детекторов в настоящее время в основном применяются схемы усилителей, используемых в электрометрических системах, предназначенных для измерения слабых постоянных либо очень медленно меняющихся токов и напряжений. Широкое применение находят так называемые параметрические усилители, использующие предварительное преобразование слабых электрических сигналов постоянного тока в сигналы переменного тока. Чаще всего такое преобразование производится с помощью конденсаторов с периодически изменяющейся емкостью. В обоих случаях обеспечение полосы пропускания 0-10 Гц наталкивается на весьма значительные трудности, преодоление которых существенно усложняют усилитель и увеличивают его стоимость.

Общие принципы конструирования усилителей, предназначенных для усиления слабых электрических сигналов, изложены в специальных руководствах [367-370]. Однако по сравнению с усилителями, применяемыми в обычных электрометрических измерениях, к устройствам, используемым в хроматографии, предъявляются дополнительные требования: способность к долговременной работе, высокая линейность и очень малый дрейф фонового сигнала. В особых случаях длительность хроматографического опыта с использованием капиллярных колонок может достигать 14-16 ч и более [371]. Если полагать, что за время опыта смещение нулевой линии хроматограммы в результате дрейфа усилителя не должно превышать 1% шкалы регистратора, то при обычном диапазоне шкалы 0-1 мВ скорость дрейфа не должна превышать 10 мкВ в сутки. Это требует высокой стабильности работы источников питания и всех элементов схемы применяемых усилителей.

Важной особенностью капиллярных колонок является возможность разделения весьма сложных смесей за время, измеряемое секундами или несколькими минутами. Сочетая быстро ра-

Рис. 97. Зарегистрированные осциллографом хроматограммы с малым временем регистрации

а - 9 изомеров гептана (колонка со скваланом длиной 2 м, диаметром 0,069 мм, газ-носитель водород, давление на входе в колонку 2,1 кг/см2), б - смесь углеводородов С3-С7; колонка со скваланом длиной 1,2 м, диаметром 0,035 мм, газ-носитель водород, давление на входе в колонку 14 кг/см2); число разделения, рассчитанное по паре гексан-гептан, с учетом времени анализа, равно 9; 1 - 2-мети лбу тан; 2 - н-пентан; 3 - 2,2-диметилбутан; 4 - 2,3-диметил- бутан; 5 - 2-метил пентан; 6 - 3-м етилпентан; 7 - и-гексан; 8 - 2,2-диметилпен- тан; 9 - 2,4-диметилпеятан; 10 - 2,2,3-три мети л бу та и; И - 3,3-диметилпентан; 12 - 2-метилгексан и 2.3-диметилпентан; 13 - 3-метилгексан; 14 - 3-этил пентан, 15 - н-гептан

ботающие колонки с автоматическими устройствами для периодического ввода пробы и с быстродействующими регистрирующими системами, можно осуществить визуальное представление хроматографической информации. Это дает возможность практически непрерывного контроля состава анализируемой смеси, что важно, например, в системах управления промышленными процессами, предусматривающими участие оператора. Важной особенностью таких устройств является низкая скорость горизонтальной развертки осциллографа, соответствующая времени записи хроматограммы. При частоте развертки ниже 0,1 Гц электронные устройства регистрации оказываются недостаточно на-

дежными. В экспресс-анализе в этих случаях применялись осциллографические системы регистрации с электромеханической системой горизонтальной развертки [372-375].

В качестве примера на рис. 97 приведены хроматограммы, полученные с помощью таких устройств.

В наиболее полной мере требованиям капиллярной хроматографии отвечают интеграторы и устройства обработки данных, базирующиеся на переводе хроматографического аналогового сигнала в дискретную, цифровую форму. Современные устройства подобного типа, в которых используется компьютерная техника, могут осуществлять интегрирование сигналов, преобразованных в дискретную форму, с одновременной компенсацией дрейфа нулевой линии, учетом неполноты разделения близких компонентов, дискриминацией случайных импульсных помех и фильтрацией статистического шума. Подобные системы не только фиксируют первичный электрический сигнал детектора, соответствующий максимальной концентрации данного пика или его площади, но осуществляют расчет концентраций заданных компонентов анализируемой смеси с учетом заранее введенных в память ЭВМ градуировочных коэффициентов. В ряде систем возможно также автоматическое проведение выбора компонентов, учитываемых при расчете состава смеси в соответствии с заданным уровнем минимальной концентрации. Современные автоматические системы для обработки хроматографической информации обычно допускают возможность расчета параметров удерживания компонентов и идентификацию пиков путем сравнения с данными, хранящимися в памяти ЭВМ [376-379]. Подобные системы ныне широко распространены, особенно в аппаратуре, сочетающей преимущества капиллярной хроматографии и масс- спектрометрии [380, 381]. Некоторые из таких систем подробнее обсуждаются в следующей главе.

В настоящее время с большой остротой встала проблема быстрого (за 10-20 сек) обнаружения в воздушной среде очень малых концентраций веществ с весьма незначительной упругостью пара. К таким веществам относятся прежде всего взрывчатые вещества и разнообразные наркотические средства. Эта аналитическая проблема возникла в тесной связи с такими отрицательными социальными явлениями, как распространение терроризма на транспорте и в местах скопления людей (на вокзалах, рынках, в метро, в подземных переходах улиц и т.д.) и незаконного оборота наркотиков. Эти явления, к сожалению, получившие большое распространение в последние десятилетия XX в., потребовали создания аналитических систем обнаружения указанных веществ, скрыто переносимых или перевозимых в одежде, в бага-

же пассажиров или в средствах транспорта. Для решения этой проблемы привлекались многочисленные физические и химические методы анализа, однако серьезный прогресс был достигнут, в основном, только при использовании газовой хроматографии и масс-спектрометрии.

При создании таких систем для скоростного анализа основные трудности связаны с тем, что упругость пара большинства взрывчатых веществ и наркотиков чрезвычайно мала. Так, например, упругость пара одного из наиболее распространенных в настоящее время взрывчатых веществ - гексогена - при 20°С равна 4,6 х Ю"9 мм рт. ст., что соответствует относительной концентрации насыщенного пара этого соединения 6 х 10"15 [382]. В композициях взрывчатых веществ, применяемых в реальной боевой практике, взрывчатка на основе гексогена, обозначаемая С-4, содержит маслообразные и полимерные составляющие, что может привести к снижению упругости паров гексогена над этим материалом еще на 1-2 порядка величины. Поэтому одно из самых главных требований к таким аналитическим системам, кроме быстроты анализа, - это очень высокая чувствительность как детектирующей системы, так и всего аналитического комплекса в целом. Поэтому при создании таких систем для скоростного анализа используются все возможности, выявленные при изучении разнообразных систем капиллярной хроматографии. Так, уже довольно давно установлено, что достижимая скорость анализа увеличивается при уменьшении диаметра капиллярной колонки [383, 384].

Для решения данной проблемы разрабатываются разнообразные автоматизированные системы для скоростного ввода проб [385-388]. Система, использующая элементы пневмоавтоматики (пневмотриггер), описанная в работе [384], позволяет уменьшить время ввода пробы до нескольких миллисекунд. На капиллярной колонке длиной 8 м и диаметром 50 мкм с этой системой ввода проб была достигнута эффективность около 105 т. т., а наибольшая удельная эффективность, достигнутая в этой работе была равна 40 тыс. т. т./м.

Интенсивно разрабатываются системы скоростного детектирования, включающие масс-спектрометрию и ИК-спектроско- пию с Фурье-преобразованием [385-387], Большое внимание исследователей было направлено на создание пробоотборных устройств, позволяющих в течение короткого времени (несколько секунд!) накопить и ввести в хроматограф количество определяемого вещества, достаточное для их уверенного детектирования и идентификации. В результате этих усилий были созданы специализированные высокоскоростные хроматографы для контроля

присутствия взрывчатых веществ в аэропортах, на стадионах, рынках и других местах общественного пользования [388-392], В работах [389-391] был использован хемилюминесцентный озоновый детектор (“анализатор термической энергии”), регистрировавший моноксид азота, NO, образующийся при термическом разложении определяемых веществ. С помощью хроматографа “Эгис 3000”, описанного в работе [391], оказалось возможным определять всего за 10-15 сек такие вещества как динитрат этиленгликоля, нитроглицерин, динитротолуол и тринитротолуол, тетранитрат пентаэритрита, гексоген и др. Сходная система анализа была использована в устройстве “Сентор” для быстрого обнаружения наркотиков, таких как кокаин и героин [392]. В аналогичном приборе EVD-1 фирмы “Скинтрекс” (Канада) использованы две капиллярные колонки и электронно-захватный детектор [393]. Этот прибор предназначен для быстрого обнаружения как самих взрывчатых веществ, так и их специальных индикаторов, имеющих сходное строение с целевыми компонентами, но существенно большую упругость пара. Такие вещества, называемые “таганты” (от английского слова tag - метка, ярлык), вводятся специально в состав взрывчатых веществ для облегчения их обнаружения и идентификации. Такими веществами являются, например, изомеры нитротолуола, динитрат этиленгликоля, нитробензол и др. Рассмотренный выше прибор обеспечивает возможность обнаружения таких веществ в воздухе в концентрациях порядка 1-5 трлн"1 (частей на триллион), что превышает чувствительность обоняния человека и в ряде случаев приближается к чувствилельности обоняния собаки (109-10" молекул /см3).

Весьма высокие скорости анализа, позволяющие детектировать взрывчатые вещества и наркотики всего за несколько секунд, были достигнуты при использовании хроматографов ЭХО с пламенно-ионизационным, фотоионизационным или электронно-захватным детектором (Конструкторско-технологический институт геофизического и экологического приборостроения Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск). Высокое быстродействие и очень высокая чувствительность этого прибора достигаются благодаря использованию в нем поликапиллярных колонок (многоканальных капиллярных колонок), обеспечивающих эффективность разделения до 5000 т. т. даже длине колонки всего 20-30 см и при времени анализа 5-10 сек [21-24].

В целом, анализ доступной литературы позволяет заключить, что в настоящее время имеется явно выраженная тенденция к все более широкому использованию быстродействующей малогабаритной газо-хроматографической аппаратуры не только для специальных целей типа обнаружения взрывчатых веществ или нар-

котиков, но и для выполнения широкого спектра анализов, связанных с контролем загрязнения окружающей среды, регистрацией локальных нарушений типа разливов нефти или ракетных топлив и т.д. Примером таких малогабаритных переносных хроматографов, кроме перечисленных выше приборов, могут быть также хроматографы серии НР-Микро-ГХ фирмы “Хьюлетт- Паккард” (США), позволяющие проводить анализ смесей углеводородов Ci-C5, перманентных и серосодержащих газов (H^S, SO2, COS) за 100-160 сек [394].

Тенденции в области создания и использования портативных хроматографических приборов, в том числе и использующих капиллярные колонки, отражены в обзорах [395,396]. Авторы этих обзоров полагают, что развитие газохроматографического приборостроения пойдет по пути миниатюризации и все более широкого использования компьютерных технологий. В то же время Международной метрологической организацией уже сформулированы четкие требования к портативным газовым хроматографам, предназначенным для определения опасных химических загрязняющих веществ непосредственно на местах отбора проб [397]. Такие приборы должны иметь клапанные или шприцевые устройства для ввода проб и капиллярные колонки. Диапазон рабочих температур этих приборов должен составлять 20-200°С, их линейный диапазон не должен быть менее 10 000, а масса этих приборов не должна превышать 30 кг.

В настоящее время большинство фирм и организаций, занимающихся производством хроматографической аппаратуры, выпускают приборы, предназначенные для работы как с наполненными, так и с капиллярными колонками. В ряде случаев хроматографические приборы, использующие капиллярные колонки, жестко специализированы для выполнения какой-либо одной аналитической задачи. Это относится ко многим приборам, предназначенным для работы в промышленности, или используемым в экспедиционных условиях. Такие приборы часто снабжаются системами дистанционного управления, порой на расстояниях, измеряющихся космическими масштабами. Примерами могут служить капиллярный хроматограф, являвшийся частью автоматической системы “Викинг“, предназначавшейся для выяснения вопроса о наличии жизни на Марсе [398, 399], или система “Сигма”, использованная для газо-хроматографического анализа атмосферы Венеры [400, 401],

Примерами лабораторных хроматографов, успешно используемых для работы со стеклянными и кварцевыми капиллярными колонками являются модель HP 5890 фирмы “Хьюлетт-Паккард” (США), часто используемая совместно с масс-селективным

детектором HP 5160, приборы серий GC 4160, GC 6000 и GC 8000 фирмы “Карло Эрба” (Италия), хроматограф DAN1 3800 фирмы “Дани” (Италия), ряд хроматографов фирмы “Вариан" (США), например модель 3700, хроматографы ТОР и TRACE фирмы “Термо Квест” (США) и модель “Шимадзу-1975” фирмы “Шимад- зу” (Япония).

В России удачным хроматографом, специально сконструированным для работы со стеклянными капиллярными колонками, являлся прибор “Биохром”, разработанный СКВ ИОХ АН СССР, и выпускавшийся промышленностью в течение длительного времени. В настоящее время в России, кроме уже упомянутого выше хроматографа “ЭХО”, производится весьма совершенный хроматограф с компьютерным управлением “Кристалл- 2000” (г. Йошкар-Ола), вполне пригодный для работы со стеклянными и кварцевыми капиллярными колонками [402].

Заканчивая эту главу, посвященную аппаратуре для капиллярной хроматографии, отметим, что огромный опыт, накопленный за 45 лет существования и развития этого метода, обобщен в целом ряде сборников и монографий как общего характера, так и посвященных его конкретным приложениям или частным вопросам анализа определенных групп объектов. Указывая здесь некоторые из этих книг [403-408], мы вынуждены признать, что огромное множество публикаций, содержащих информацию о многих успешных примерах разделения и анализа смесей различных веществ, выполненных с помощью капиллярной хроматографии, невозможно рассмотреть в одной этой книге даже в малой части.

В то же время, авторы видят свою задачу, главным образом, в том, чтобы показать читателю, каким образом с помощью капиллярных колонок достигается та высокая эффективность разделения самых разнообразных соединений, которая и определила гигантские успехи и самое широкое распространение этого изящного аналитического метода.

ЛИТЕРАТУРА

Gotay MJ.E. // Gas chromatography / Ed. V.J. Coates et al. N.Y.: Acad, press, 1958. P. 1.

Supelco Inc. Chromatography catalog, 1994. Bellefonte (Pa.), 1974. 41 p.

Колонки для газовой хроматографии: Типы, основные конструкции и размеры. ГОСТ 16285-74. М., 1974.

Ку лаков М.В., Шкатов Е.Ф., Ханберг В. А. //Газовые хроматографы. М.: Энергия, 1968. С. 71.

Slruppe H.-G. И Handbuch der Chromatographic. Leipzig: Akad. Vert 1984. Th. l.S. 46-140.

Hermeberg D., Henrichs V., Schomburg G. // J. Chromatogr. 1975. Vol. 112. P. 344.

Grob K., Jr., Muller RJi Ibid. 1982. Vol. 244. P. 185.

Чмутов К.В. Техника физико-химического эксперимента. М.: Гос- химиздат, 1954.

Ukova E.L., Mistryukov Е.А. // J. Chromatogr. 1971. Vol. 54. Р. 422.

Later D.IV., Wright B.W., Lee M.L. // J. High Resolut. Chromatogr, Chromatogr. Commun. 1981. Vol. 4, N 8. P. 406-408.

Mitchum R.R., Korfmacher ЖА.. Mole G.F. // Ibid. N 4. P. 80.

Capillary systems and accessories. Mel bum; S.G.E., 1985.

Kaiser R. Chromatographie in der Gasphase. Th. 2. Kapillarchromatogra- phie. Mannheim: Bibliogr. Inst., 1961.

Chromatograph “Chrom-4”: Description and instructions. Prague: Peoples Enterprize “Laboratornye pribory (Laboratory Instruments)”, 1968.

Chromatograph “Chrom-5”; Description and instructions. Prague: Peoples Enterprize “Laboratornye pribory (Laboratory Instruments)”, 1971.

Pat. 32544 479 US, cl. G 01, N 31/08. Publ. 1966.

Зуев Б.К., Руденко Б.А., Никифоров Ю.А. и др. Пат. 98123275 РФ. 23.12.98.

Березин Г.И., Сидоров П.Ф., Худяков ВЛ. и др. Пат. 1133547 СССР. Заявл. 16.08.83; Опубл. БИ. 1984. № L С. 152.

Березин Г.И., Худяков ВЛ., Сидоров П.Ф //Жури. физ. химии. 1986. Т. 40, № 7. С. 1808-1810.

Руденко Б.А., Шоромов Н.П. Пат. 99105925 РФ. Заявл. 01.04.99.

Власов А.А., Жданов В.П.. Малахов В.В., Сидельников В.Н. А.с. 1459451 СССР. Заявл. 21.11.86.

Ефименко А.П., Науменко И.И., Петров В.В. Ц Полевые аналитические методы: Тр. V Межрегион, конф., Новосибирск, 8-9 сент., 1998. Новосибирск: СО РАН, 1998. С. 19.

Golay MJ.E, Ц Gas chromatography, i960 / Ed. R.P.W. Scott. L.; Inst. Petrol., 1960. P. 139-161.

Власов А.А., Жданов В.П., Малахов В.В., Сидельников В.Н. А.с. 1596923 СССР. Заявл. 22.09.89.

Грузное В.М., Филоненко В.Г., Чульжанова М.Г. и др. / Полевые аналитические методы: Тр. V Межрегион, конф., Новосибирск, 8-9 сент., 1998. Новосибирск: СО РАН, 1998. С. 24-27.

Грузное В.М., Филоненко В.Г., Шишмарев А.Т. И Журн. аналит. химии. 1999. Т. 54, № 11. С. 1134-1140.

Грузное В.М., Шишмарев А.Т., Филоненко В.Г. и др. Н Там же № 9. С. 957-962.

Grob К. Ц Chromatographia. 1976. Vol. 9, N 10. Р. 509-512.

Kaiser R. Ц Ibid. 1974. Vol. 7. P. 688.

Kuck M. Pat. 2821105 ERG. Appl. 03.05.78.

Nowicki H.G., Kieda C.A., Nakagawa A.S. H J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr, Commun. 1981. Vol. 4, N 5. P. 236.

Hobson-Frohock A.. Worts W.H. // Lab. Pract. 1978. Vol. 27. N 6. P. 474-476.

Волков С.М., Горяев В.М., Аникеев В.И., Лазарчук АВ Ас 802212 СССР. Заявл. 30.03.79.

Grob К., Grob G„ Brechbtihler В., Pichler Р. Ц J. Chromatogr 1981 Vol. 19. Р. 643.

Smith М.В. Ц J. Chromatogr. Sci. 1981. Vol. 19. Р. 643.

Apps Р., Pretorius И, Bench IV. Ц J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1982. Vol. 5. P. 625.

Hudson J., Morgan S. // Ibid. 1981. Vol. 4, N 4. P. 186—187.

Miiller D„ Walter H. // Ibid. 1980. Vol. 3. N 8. P. 411—412.

Schroder IV., Schillings A., Matz. A. H J. High Resolut. Chromatogr. 1998. Vol. 21, N 2. P. 125-127.

Biederman M„ Grob K., Wiedmer M. // J. Chromatogr. 1997 Vol 764 P. 65.

AL Rasemen L, Ojanpera I., Vartiovaara J„ Vuori E. // J. High Resolut. Chromatogr. 1996. Vol. 19. P. 313.

Grob K., Schilling B. // J. Chromatogr. 1987. Vol. 391. P. 3.

D’Amato A., Bicci C., Galli M. // J. High Resolut. Chromatogr. 1989. Vol. 12. P. 349.

Xu B„ Hu S. Ц Ibid. 1992. Vol. 15. P. 775.

Breitscheneider IP., Werkhoff P. // J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1988. Vol. 11. P. 583-589.

Кузьменко T.E., Самусенко АЛ., Уралец В.FL, Головня Р.В. //Завод, лаб. 1979. Т. 45, №9. С. 808-810.

Meyer Т. // J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1980. Vol. 3, N 7. P. 357-358.

Boeksrom P. Ц Ibid. N 1. P. 186-187.

Desty D.H., GoldupA., Whytnan B.P. //J. Inst. Petrol. 1959. Vol. 45. P. 429.

Brander B. // Analysis. 1979. Vol. 7, N 11. P. 505-509.

Brenner N„ Ettre L.S. И Acta chim. Acad. sci. hung. 1961. Vol. 27, N 1/4. P. 205-214.

Handbook of chromatography / Ed. G. Zweig, J. Shenna. Cleveiend (Ohio): CRC press, 1972.

Ettre L.S., Averill IV. // Anal. Chern. 1961. Vol. 33. P. 680.

Ettre L.S., Cieplinski E.W., Brenner N. // Trans. Instrum. Soc. Amer. 1963.

Vol. 2. P. 134.

Ettre L.S., Kabot FJ. Ц Anai. Chern. 1962. Vol. 34. P. 1431.

Halacz L. Schneider W. // Ibid. 1961. Vol. 33. P. 978.

Clarke D,R, Ц Nature. 1963. Vol. 198. P. 681.

Grob K„ Neukon H.P. // J. Chromatogr. 1982. Vol. 236, N 2. P. 297-306.

Ettre L.S. Open tubular column in gas chromatography. N.Y.: Plenum press 1965.

Leipnitz W. // Handbuch der Gas-Chromatograph te. B.: Akad. Verb, 1984, Th. 1. S. 141-169.

German A.L., Horning E.C. // J. Chromatogr. Sci. 1973. Vol. H.P. 76.

Bayer E„ Liu G.H. // J. Chromatogr. 1983. Vol. 256, N 2. P. 201-212.

Grob K„ Neukon H.P,, Hilling P. // J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1981. Vol. 4, N 5. P. 201-208.

Poy F., Visani S., Terrosi F. // J. Chromatogr. 1981. Vol. 217, N 1. P. 81.

German A.L., Horning E.C. // Anal Lett. 1972. Vol. 5. P. 619.

Hartigan M.J., Eure L.S. //J. Chromatogr. 1976. Vol. 119. P. 187.

Grob K„ Grob K. Jr. //Ibid. 1978. Vol. 151.P.311.

Bruderreck H., Schneider IV., Haldsz I. H Gas Chromatogr. 1967. Vol. 5. P. 217.

Fejes P„ Engelhardt J., Shay G. // J. Chromatogr. 1963. Vol. 11. P. 76.

Fejes P„ Engelhardt J., Shay G. H Gas-Chromatographie, 1963 I Ed. H.-P. Angele, H.-G. Struppe. B.: Akad. Verb, 1963. S. 21.

Tenney H.M., Harris RJ. // Anal. Chern, 1957. Vol. 29. P. 317.

Bathe H.K. Pat. 25506 GDR. Appl. 1963

KarlB.H. Pat. 1133924 FRG. Appl. 1963.

SchiekeJ.D„ Smuts T.W., Pretorius V. // Separ. Sci. 1968. Vol. 3. P. 27.

Haraldson L., Thorneman T. // Microchim. anal. acta. 1963, NLP. 14.

Kipping R J., Jeffery P.G. II Analyst. 1961. Vol. 86. P. 680.

Timms D.G., Konrath H.J., Chirnside R.C. П Ibid. 1958. Vol. 83.

P. 603.

Pratt G.L., Purnell J.Н.Ц Anal. Chem. 1960. Vol. 32. P. 1213.

Peterson D.L., Lundberg G.W. H Ibid. 1961. Vol. 33. P. 652.

Pine C.S.F. // Taianta. 1967. Vol. 14. P. 277.

McEwen D.J. H J. Chromatogr. 1962. Vol. 9. P. 266.

Karasek F .W., Ayers B.O. // J. Instrum. Soc. Amer. 1960. Vol. 7. P. 70.

Kogler H. //Gas-Chromatographie, 1961 / Ed. M. Schroter, K. Metzner. B.;

Akad.-Verl., 1962. S. 291.

Руденко Б.А. A.c. 244698 СССР. Заявл. 1967. Опубл. БИ. 1969. № 18.

Литвинов ЛД„ Руденко Б.А. Газовая хроматография в медицине и биологии. М.: Медицина, 1971.

Desty D.H., Haresnape J.N., Whyman B.H.F. Ц Anal. Chem. 1960. Vol. 32. P. 302.

Stanford F.G. Ц Analyst. 1959. Vol. 84. P. 321.

Jentzsch D., HovermannWJ! J. Chromatogr. 1963. Vol. 11. P. 440.

Eure L.S. Cieplinski E. И7., Averill IP. // J. Gas Chromatogr. 1963. Vol. 1. P.7.

Zlatkis A., Walker J. //Ibid. P. 9.

Schomburg G., Husmann H. Pat. 2631339 FRG. Appl. 13.07.76.

Schomburg G., Benlau H., Dielmann R. et al. H L Chromatogr. 1977. Vol. 142. P. 87-102.

Grob K. Jr., Grob K. // Ibid. 1978. Vol. 151, N 3. P. 311-320.

Hirota K., Takahata J. Ц Bunseki kagaki =Jap. Analyst. 1979. Vol. 28, N 1. P. 58-60.

RijksJ.A., Drozd J., Novak J. //J. Chromatogr. 1979. Vol. 186. P. 167-181.

Huynb C.K. H Mitt. Geb. Lebensmitteluntersuch und Hyg. 1980. Bd. 74, N 4. S. 532-538.

Jennings IP., Mehran M.F. // J. Chromatogr. Sci. 1986. Vol. 24, N I. P. 34—40.

Gunther IP., Schlegelmilch F. Ц Lab. Prax. 1986. Vol. 10, N 6. P. 680-686.

Misrrykov E.A., Korshevetz i.K. П J. Chromatogr. 1985. Vol. 322. P. 206-211.

Freeman R.R., Augenbtick К. H Abstr. Pap. Pittsburgh Conf, on Anal. Chem. and Appl. Spectroscopy, Atlantic City, N.J. 1980. Pittsburgh (Pa.), 1980. P. 204.

XWV.RaveyM.HL Chromatogr. Sci. 1981. Vol. 19,N6. P. 325-328.

Schomburg G., Husmann H„ Rittmann R. //J. Chromatogr. 1981. Vol. 204. P. 85-96.

Schomburg G„ Hausig U„ Husmann H. И J. High Resolut. Chromatogr. 1985. Vol. 8, N 9. P. 566-571.

Beresnev A.N., Morozova O.T. // Ztschr. anal. Chem. 1992. Bd. 47, N 3. S. 522-529.

Craske J.D. // J. Amer. Oil Chem. Soc. 1995. Vol. 72, N 9. P. 995-999.

Chauhan J., Darbre А. II J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Common. 1981. Vol. 4, N 6. P. 260-265.

Spencer S.F. // Abstr. Pittsburgh Conf, on Anal. Chem. and Appl. Spectroscopy, Clevelend, Ohio, 1977. Pittsburgh (Pa.), 1977; P. 167.

Spencer, HJ.HL Chromatogr. 1983. Vol. 1983, N 1. P. 164-167.

EyemJ. //Ibid. 1981. Vol. 217. P. 99-107.

Grob K., Neukom HP. // Ibid. 1980. Vol. 189. P. 109-117.

Grob J. И Ibid. 1981. Vol. 213, N 1. P. 3-14.

Grob K„ Jr., Romann A JHbid. Vol. 214. NLP. 118-121.

Grob K., Jr. // Ibid. 1982. Vol. 253, N 1. P. 17-22.

Grob K„ Jr. // Ibid. 1983. Vol. 260. P. 265-275.

Grob K.. Jr. I! Ibid. 1984. Vol. 283. P. 21-35.

Grob K„ Jr. H Ibid. 1985. Vol. 324. P. 251.

MI.GrobK.Jr.HXbid. 1982. Vol. 237, N l.P. 15-24.

Pretorius V., Lawson K.H., Apps P.J., Bench IL. H Ibid. 1983. Vol. 279. P. 233-240.

Grob K.. Jr. H Ibid. 1984. Vol. 287. P. 1.

Grob K.,Jr„ Neukom H.P. // Ibid. 1985. Vol. 323. P. 237-246.

Saravalie C.A., Munari F„ Trestianu S. H Ibid. 1983. Vol. 279. P. 241-250.

Drissen 0., Lugtenberg J. // J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1980. Vol. 3. P. 403.

Drissen O., Emonds A., Lugtenberg J. // J. Chromatogr. 1982. Vol. 234. P.313.

Wang F.S., Shanfield H., Ziatkis А. Ц J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1982. Vol. 5. P. 562.

Knauss W.G., FullemanJ., TurnerM.P. //Ibid. 1981. Vol. 4. P. 641.

Grob K., Jr. //J. Chromatogr. 1983. Vol. 279. P. 225-232.

Grob K„ Jr.. Shilling В. H Ibid. Vol. 264. P. 7-18.

GrobK., Jr. //Ibid. 1984. Vol.301.P. 1.

Sandra P., Van Roelenbosch M„ Verzele M„ Bichi С. H Ibid. 1983. Vol. 279. P. 279-286.

Sandra P., Schelfaut M., Verzele M. // J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr, Commun. 1982. Vol. 5. P. 50.

Schomburg G., Husmann H., Behlan H., Schultz F. Ц Ibid. 1983. Vol. 279. P. 251-258.

Schomburg G., Husmann H., Schulz F. et al. И Ibid. P. 259-267.

3. Stalling D.L., Johnson J.L., Crowell O.F., Petty J.D. // Abstr. Pap. Pittsburgh Conf, on Anal. Chem. and Appl. Spectroscopy, Atlantic City, N. J. 1980. Pittsburgh (Pa.), 1980. P. 112.

Vogt IV., Jacob K„ Obweker H.W. // J. Chromatogr. 1979. Vol. 174. P. 437—139.

Williams HJ., Vinson S.B. // J. Chem. Ecol. 1980. Vol. 6. P. 973- 978.

Hiltunen A., Laakso I., Hovinen S., Derame J. // J. Chromatogr. 1982. Vol. 237, N l.P. 41-48.

Geeraert E., Sandra P„ De Schepper D, // Ibid. 1983. Vol. 279. P. 287-295.

Corkill J.A., Giese R.W. // Anal. Chem. 1981. Vol. 53. P. 1667.

Corkill J.A..Giese R.W. H L Chromatogr. 1982. Vol. 238, N I P. 133-141.

Fogelqvist E., Josefsson B., Roos C. // Environ. Sci. Technol. 1982. Vol. 16. P. 479-482.

Fogelqvist E„ Larsson M, // J. Chromatogr. 1983. Vol. 279. P. 297- 306.

Grob K., Grob J. // J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Common. 1981. Vol. 4. P. 491-494.

Гуревич АЛ., Русинов Л.А., Сягаев Н.А. Автоматический хроматографический анализ. Л.: Химия, 1980.

Voght IV., Jacob К., Ohnesorge A., Obwexer H.W. П J. Chromatogr. 1979. Vol. 186. Р. 197-205.

Yang F.J., Brown A.C., Cram S.P. H Abstr. Pap. 29th Pittsburgh Conf, on Anal. Chem. and Appl. Spectroscopy, Clevelend, Ohio, 1978. Monroeville (Pa.), 1978.

Morton C.E., Roberts DJ„ Cooke M. H J. Chromatogr. 1983. Vol. 280, N 1. P. 119-123.

Purcell J.E.,Ettre L.S. H L Gas Chromatogr. 1966. Vol. 4. P. 23.

Snyder R.E. // J. Chromatogr. Sci. 1971. Vol. 9. P. 638.

Novotny N., Lee H.L. H Experientia. 1973. Vol. 29. P. 1038.

Williams F.F., Umstead H.E. H Anal. Chem. 1968. Vol. 40. P. 2232.

Rushneck D.R. HL Gas Chromatogr, 1965. Vol. 3. P. 319.

Руденко Б.А., Смирнова Г.И. И Жури, аналит. химии. 1971. Т. 30, №6. С. 1191.

Bartie К. D„ Bergstedt L„ Novotny М., Widmark G. Н L Chromatogr. 1969. Vol. 45. P. 256.

Fornasiero U., Quiotto A., Caparale G. et al. H Gazz. chim. ital. 1979. Vol. 99. P. 700.

Stallberg-Stenhagen S. H Chem. scr., 1972. Vol. 2. P. 97.

Issenberg P„ Kobayashi A., Mysliwv TJ, H J. Agr. Food Chem. 1969. Vol. 17. P. 1377.

Sistig G„ Galli M., Trestiani S., Grob К. H Abstr. Pap. Pittsburgh Conf, on Anal. Chem. and Appl. Spectroscopy, Atlantic City, NJ. 1980. Pittsburgh (Pa.), 1980. P. 221.

Rodriguez P.D., Eddy C.L., Ridder G.M., Culbertson C.R. Ц J. Chromatogr. 1982. Vol. 236, N 1. P. 39-19.

Palmer R.C.H Control Eng. 1961. Vol. 8. P. 121.

Hoomeijer J., Kwantes A., Van de Graats F. // Gas chromatography, 1958 / Ed. D.H. Desty. L.: Butterworths, 1958. P. 288. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография. М.: Изд-во иностр, лит., 1961. С. 266.

Phillips T.R., Owens D.RJl Gas chromatography, 1960 / Ed. R.P.W. Scott. L.: Butterworths, 1960. P. 197. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография. М.: Мир, 1964. С. 396.

Grob К. Ц Anal. Chem. 1994. Vol. 66, N 20. P. A1009-A1019.

Sample introduction in capillary gas chromatography / Ed. P. Sandra. Heidelberg: Huthig, 1985. 279 p.

Jennings V„ Rapp A. Sample preparation for gas chromatographic analysis. Heidelberg: Huthig, 1983. Рус. пер.: Подготовка образцов для газо-хроматографического анализа. М.: Мир, 1986. 166с.

High resolution gas chromatography / Ed. K.J. Hyver. Norwalk (Conn.): Hewlett-Packard, 1989. Рус. пер.: Высокоэффективная газовая хроматография. M.: Мир, 1993. 288 с.

Rood D. // Practical guide to the maintenance and troubleshoting of capillary gas chromatographic systems. Heidelberg: Huthig, 1998. P. 323.

Kaiser R. Chromatographic in der Gas-Phase. Th. 4. Quantitative analysis. Mannheim: Bibliogr. Inst., 1965.

168,/Vov^ J. Quantitative analysis by gas chromatography. N.Y.: Dekker, 1975.

Андреев Л.В., Афанасьев М.И., Чаброва О.Г., Вигдергауз М.С. // Успехи химии. 1965. Т. 34, № 5. С. 920.

Бражников В.В. Дифференциальные детекторы в газовой хроматографии. М.: Наука, 1973. 223 с.

Сакодынский К.И., Бражников В.В., Волков С.А., Зельвен- ский Ю.А. Приборы для хроматографии. М.: Машиностроение, 1987. 261 с.

m.McWUUamLG., Dewar R.A. Н Nature. 1958. Vol. 181. P. 760.

Ongkiehong L. H Gas chromatography, 1960 / Ed. R.P.W. Scott. L.; Butterworths, 1960. P. 3. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография. М.: Мир, 1964. С. 15.

Bodd:P.,/a«aV.//Chromatogr. Rev. 1971. Vol. 15. Р. 111.

Chromatography: Fundamentals and application of chromatographic and electrophoretic methods / Ed. A. Heftmann. Amsterdam: Elsevier, 1983.

McNair H.M., Bonelli EJ, Basic gas chromatography, Oakland (Calif.): Consolid. Printers, 1967. Рус. пер.: Введение в газовую хроматографию. М.: Мир, 1970. 278 с.

Buffington R., Wilson М.К. Detektoren fiir die Gaschromatographie. Norwalk (Conn.); Hewlett-Packard, 1989. Рус. nep.: Детекторы для газовой хроматографии. М.: Мир, 1993. 79 с.

Quantitative analysis using chromatographic techniques / Ed. E. Katz. N.Y.: Wiley, 1987.

Другое Ю.С., Конопелька Л А, Газохроматографический анализ газов. M.: МОИМПЕКС, 1995. 464 с.

Рошин В А. Радиоионизационное детектирование в газовой хроматографии. М.: Атомиздат, 1974. 160 с.

Lovelock.ЕЕ. //Nature. 1958. Vol. 181. Р. 1462.

Lovelock J. E. И J. Chromatogr. 1958. Vol. L P. 35.

Озинарер C.H., Газиев Г.А., Яновский М.И., Корняков В.С. П Завод. лаб. 1959. Т. 25, № 8. С. 760.

MatouSek S. // Chem. ргйт. 1960. Vol. 10. Р. 16.

Condon RD., Scholly P.R, Averill IV. // Gas chromatography, 1960 / Ed. R.P.W. Scott. L.: Butterworths, 1960. P. 134. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография. М.: Мир, 1964. С. 45.

Yamane М. Н J. Chromatogr. 1962. Vol. 9. Р. 162; 1963. Vol. 11. Р. 158.

Руденко БА., Метляева С.Я. И Завод, лаб. 1969. Т. 35. С. 156.

Shanin ММ., Lipsky S.R. Н Anai. Chem. 1963. Vol. 35. Р. 467.

Bathe Н.К., Leonhardt J. H J. Chromatogr. 1965. Vol. 19. P. 1.

Berry R. // Gas chromatography / Ed. N. Brenner et al. N.Y.; L: Acad, press, 1962. P. 68.

Bourke P.L., Dawson R.W., Denton W.H. I! J. Chromatogr. 1964. Vol. 14. P. 387.

Golay M.J.E. // Gas chromatography, 1958 / Ed. D.H. Desty. L: Butterworths, 1958. P. 36. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография. М.: Изд-во иностр, лит., 1961. С. 39.

Dijkstra G., De GoeyJ. Н Ibid. Р. 56. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография. М.: Изд-во иностр, лит., 1961. С. 61.

Condon RD. Н Proc, of Second Eastern Anal. Symp. N.Y,, 1960.

Purcell J. E. //Nature. 1964. Vol. 201. P. 1321.

Нориков Ю.Д. // Завод, лаб., 1956. T. 22, № 1. С. 28.

Canin D.L., King Я.IV., Shawnan SD. // Anal. Chem. 1964. Vol. 36. P. 1175.

Petrocelii J A. // Ibid. 1963. Vol. 35. P. 2220.

Rode! E. ACHEMA, European Convention of Chem. Eng. Frankfurt a. M., 1964.

Mohnke M., Saffert IV. H Chem. Techno!. 1961. Vol. 13. P. 685.

Schwartz RD., Brasseaux DJ., Shoemake G.R. // J. Gas Chromatogr. 1963. Vol. l.P. 32.

Wells G„ Simon R. H J. Chromatogr. 1983. Vol. 256, NLP. 1-15.

Фарзане АД. //Жури. аналит. химии. 1997. Т. 52, № 11. С. 832.

Messaros D.W., Law С.Е., Kolloff R.H. et al. // 20th Intern. Symp. ‘‘Advances in chromatography”. N,Y„ 1984.

Martin A.J.P., James A.T. H Biochem J. 1956. Vol. 63, N 1. P. 138-143.

Kiran E„ Gillham J.K. // Anal. Chem. 1975. Vol. 47. P. 983.

Kiran E. H J. Chromatogr. 1983. Vol. 280, N 2. P. 201-218.

Piringer 0., Pascalau M. // Ibid. 1962. Vol. 8. P. 410.

Piringer O., Tataru E„ Pascalau M. // J. Gas Chromatogr. 1964. Vol. 2. P. 104.

Piringer O., Pascalau M„ Tataru E. // Gas-Chromatographie: Vortr. V. Symp. Uber Gas-Chromatographie, Berlin, Mai, 1965. B.: Akadem.-VerL, 1965. S. 413—424.

Piringer O.,WolfE. H J. Chromatogr. 1984. Vol. 254. P. 373-380.

Lovelock J.E., Lipsky S.R. HL Amer. Chem. Soc. 1960. Vol. 82. P. 431.

Lovelock J.E. H Nature. 1961. Vol. 189. P. 729.

Taylor D.F., Peters LU., Schmit J. Pat. 3566107 US. Appl. 1971.

Aue W.A.,Siu K.W.M. //J. Chromatogr. 1982. Vol. 239. P. 127-144.

Evrard E„ Razzouk C„ Roberfroid M, et al. // Ibid. 1978, Vol. 161 P. 97-102.

Brdtell H„ Ahnfelt N.O., Ehrsson H., Eksborg S. // Ibid. 1979. Vol, 176, N l.P. 19-24.

Grimsrud E.P., Connolly MJ. //Ibid. 1982. Vol. 239. P. 397-410.

DevouxP,, Guiochon G. // J. Chromatogr. Sci. 1970. Vol. 8. P. 502.

Connolly M.J., Knighton Ю., Grimsrud E.P. // J. Chromatogr. 1983. Vol. 265. P. 145-157.

Lovelock J.E., Gregory N.L. // Gas chromatography / Ed. N. Brenner et al. N.Y.: Acad, press, 1962. P. 219.

Zlatkis A. // Ibid. P. 229.

Campbell J.A., Grimsrud E.P. // J. Chromatogr. 1982. Vol. 243, N 1. P. 1-8.

Goldam P.D..FehsenfeldF.C., Phillips M.P. H Ibid. Vol. 239. P. 115-126.

Goldam P.D., Fehsenfeld F.C., Кuster W.C. et ai. Ц Anal. Chem. 1980. Vol. 52. P. 1751-1754.

Sievers R.E., Phillips M.P., Barkley R.M. et al. // J. Chromatogr. 1979. Vol. 186. P. 3-14.

Phillips M.P., Sievers R.E., Goldam P.D. et al. // Anal. Chem. 1979. Vol. 51. P. 1819-1825.

Wisner M.A., Singhawangcha S., Barkley R.M., Sievers R.E. // J. Chromatogr. 1982. Vol. 239. P. 145-157.

Bachmann K., Emig IP., Rudolph J., Tsoisos D. //Chromatographia. 1977. Vol. 10, N 11. P. 684-686.

30. HP 6890. Micro-ECD information Bulletin. Norwalk (Conn.): Hewlett- Packard, 1997.

Sullivan J.J., Dandeneau R.D. // Abstr. Pap. Pittsburgh Conf, on Anal. Chem. and Appl. Spectroscopy, Atlantic City, NJ. 1980. Pittsburgh (Pa.), 1980. P. 38.

Neukermans A., Kruger W., McManigill D. // J. Chromatogr. 1982. Vol. 235, N 1. P. 1-20.

Schwartz D.F., Allen C. // Ibid. 1981. Vol. 208, N 1. P. 55-59.

Krahmer U.T., tier J.G., Lyman KJ. et al. H Anal. Biochem. 1977. Vol. 82, N 1. P. 217-225.

Osman M., Hill H.M., Jr., Holdren M., Westberg H. // J. Chromatogr. 1979. Vol. 186. P. 273-284.

Murray S„ Baillie T.A. // Biomed. Mass Spectrom. 1979. Vol, 6, N 2. P. 82-89.

AhujaS. //J. Pharm. Sci. 1976. Vol 65, N 2. P. 163-182.

Handbook of Derivatives for chromatography // Ed. K. Blau, G.S. King. L.: Hayden, 1978.

Poole C.F., Sye W.F., Singhawangcha S. et al. // J. Chromatogr. 1980. Vol. 199. P. 123-142.

Nerin C., Cacho J,, Tomes A.R., Echarri I. // J. Chromatogr. A. 1994. Vol. 672. P. 159-165.

RosiekJ., LasaJ., Slivka I. // J. Chromatogr. 1983. Vol. 280. P. 1-14.

Aue W'.A., Hili H.H., Jr. // J. Chromatogr. Sci. 1974. Vol. 12. P. 541.

Osman MA., Hill Н.Н., Jr.//J. Chromatogr. 1983. Vol. 264. P. 149-154.

Roberts J.E.,Hill H.H., Jr. //Ibid. 1979. Vol. 176, NLP. 1-9.

Tsuchiya M., Taira T„ Toyoura J. // Вunseki kagaku, 1980. Vol. 29, N 9. P. 632-637.

Karmen A., Giu>ida L. f/Nature. 1964. Vol. 201. P. 1204.

Karmen A. // J. Gas Chromatogr. 1965. Vol. 3. P. 336.

De Loach H.K., Hemphill D.D. // J. Assoc. Offic. Anal. Chem. 1969. Vol. 52. P. 533.

Brazhnikov V.V.. Guryev M.V.. Sakodynsky K.L fi Chromatogr. Rev. 1970. Vol. 12. P. 1.

CoeradR., Smith P. //J. Chromatogr. 1971. Vol. 61, N 2. P. 329-333.

Craven D.A. //Anal. Chem. 1970. Vol. 42, N 13. P. 1679.

Dressier M„ Martina V., Janak J. // J. Chromatogr. 1971. Vol. 59, N 2. P. 429-433.

Nowak A.V., Maimstadt H.V. ff Anal. Chem. 1968. Vol. 40, N 6. P. 1108-1113.

Gough T.A., Sugden K. ft J. Chromatogr. 1973. Vol. 86, N 1. P. 65-71.

Hein H. //Chem. Lab. und Betrieb. 1974. Bd. 25, N 8. S. 352.

Pigliucd R„ Averill IT., Purcell J.E., Ettre L.S. // Chromatographia, 1975.

Vol. 8, N4. P. 165.

Пошеманский B.M. и др. A.c. 566178 СССР.

Brazhnikov B.V., Poshemansky V.M., Sakodynsky K.L, Cherniakin V.N. // J. Chromatogr. 1979. Vol. 175. P. 21.

Conte E.D., Barry E.F. if Ibid. 1983. Vol. 279. P. 657.

Руденко Б.А., Ленчик H. В., Джабиров Д.Н. // Ж урн аналит. химии. 1986. Т.41,№8. С. 1101-1106.

Руденко Б.А.. Ленчик Н.В., Джабиров Д.Н.. Потеманский В.М. // Фармация. 1986. Т. 36, № 5. С. 34-37.

Rudenko В.А., Lenchik N.V., Dzhabarov D.N. ff J. Chromatogr. 1986. Vol. 364. P. 364-369.

Zimmermann V., Altmann F.. Kraus G. Ц Chem. Technol. (Leipzig). 1980. Bd. 32. S. 644—647.

Snijders H„ Janssen H.-G., Cramers C. ft J. Chromatogr. A. 1996. Vol. 732. P. 51-61.

Brinkman J.H., Van Dijk A.G., Wagenaar R., Quirijns J.C. ft Ibid. Vol. 723. P. 355-360.

Karmen A. if AnaL Chem. 1964. Vol. 36. P. 1416.

Brody S.S., Chaney J. E. //J. Gas Chromatogr. 1966. Vol. 4. P. 42.

Bowman M„ Beroza C.. Marion J. Ц J. Assoc. Offic. Anal. Chem. 1967. Vol. 50. P. 1228.

Bowman M., Beroza C. ft J. Chromatogr. Sci. 1969. Vol. 7. P. 484; 1971. Vol. 9. P. 44, 162.

Moshier R., Sievers R. Gas chromatography of metal chelates. N.Y.: Wiley, 1966. Рус. пер.: Газовая хроматография хелатов металлов. М.: Мир, 1967. 280 с.

Jacquelot Р., Thomas G. Ц Bull. Soc. chim. France. 1973, N 4. P. 1261.

Saprykin Yu. A., Golovko B.M., Pazdeskii F.A. Ц J. Chromatogr. 1982.

Vol. 246, N l.P. 51-56.

Pedersen-Bjergaard S., Greibrock T. // Anal. Chem. 1993. Vol. 65. P. 1998.

Anon. Ц J. Microcol. Sep. 1994. Vol. 6. P. 11.

Anon. //J. Chromatogr. A. 1994. Vol. 686. P. 109.

Pedersen-Bjergaard S„ Semb SJ., Brevik E.M., Greibrokk T. // Ibid. 1996. Vol. 723. P. 337-347.

Asp T.N., Pedersen-Bjergard S., Greibrokk T. // Ibid. Vol. 736. P. 157-164.

Быховский Н.Я., Брауде А.К)., Горовой Б.М., Кацис Л.Ф. //Химия и технология топлив и масел. 1984. N 5. Р. 34-35.

Chakraborti D„ De Jonghe W.R.A., Van Mol W.E. et al. // Anal. Chem. 1984. Vol. 56. P. 2692-2697.

Identification of potential organophosphorous warfare agents / The Ministry for Foreign Affairs of Finland. Helsinki, 1979, 1980.

Systematic identification of chemical warfare agents / The Ministry for Foreign Affairs of Finland. Helsinki, 1982, 1983.

D' Agostino P.A., Hansen A.S., Lockwood P.A.. Provost L.P. H J. Chromatogr. 1985. Vol. 347. P. 257-266.

Поздняк T.И., Лисицын Д.М., Новиков Д.Д. и др. // Вьтсокомолеку- ляр. соединения. 1976. С. 320.

Разумовский С.Д., Братников Е.М., Лисицын Д.М. и др, А.с. 257125 СССР. Заявл. 1968; Опубл. БИ. 1969.

Bruening IT., Concha F.J.M. // J. Chromatogr. 1975. Vol. 112. P. 253.

Kelly T.J., Gaffney J.S., Phillips M.F., Tanner R.L. // Anal. Chem. 1983. Vol. 55. P. 135.

Kummar W.A., Pitts J.N., Jr., Steer R.P. // Environ. Sci. Technol. 1971. Vol. 5. P. 1045.

Caffnev J., Spandau D..L, Kelly T.J., Tanner R.L. Ц J. Chromatogr. 1985. Vol. 347, N I. P. 121-127.

Sulfur chemiluminescence detector SCD 350B. Boulder (Colo.): Sievers Research, 1990.

Руденко Б.А., Савчук С.А., Золотова М.Ю. И Тр. XV Менделеев, контр, по об. и прикл. химии, Минск, 24-29 мая, 1993. Минск; Наука и техника, 1993. Т. 4. С. 158-159.

Руденко Б.А., Савчук С.А., Бродский Е.С., Сойфер В.С. И Журн. аналит. химии. 1995. Т. 50, № 11. С. 1181-1187.

Fine D.H., Rufeh F„ Lieb D.. Rounbehler D.P. H Anal. Chem. 1975. Vol. 47, N 7, 1188-1191.

Fine D.H., Lieb D.. Rounbehler D.P. Pat. 3996008 US. Appl. 17.08.75; Publ. 7.12.76.

Fine D.H., Rounbehler D.P., Sennrisinna P. // J. Agr. Food Chem. 1976. Vol. 24, N 6. P. 980-984.

Food and environment analysis by capillary gas chromatography H Ed. L. Matter. Oxford; Huthig, 1997.

Chamberlain W.J., Arrendale R.F. //J. Chromatogr. 1982. Vol. 234, N 2. P. 478—481.

Severson R.F., Arrendale R.F., Chortyk O.T. Ц J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1980. Vol. 3. P. 1.

Takami К., Okumura T., Sugimae A,, Nakamoto M. // Jap. Analyst. 1987. Vol. 36. P. 143.

Бражников В.В., Орлова В.С., Субботин В.П. //Исследование хроматографических процессов / Ред. К.И. Сакодынский. М.: Физ- хим. ин-т. им. Л.Я. Карпова, 1982. С. 72.

Massey R.C., Crews С., McWeeny J. // J. Chromatogr. 1982. Vol. 241, N 2. P. 423—427.

Kataoka H„ Shindoh S.. Makita M. H J. Chromatogr. A. 1996. Vol. 723. P. 93-99.

Yamada M„ Ishiwa A., Hobo T. et al. //J. Chromatogr. 1982. Vol. 238, N 2.

P. 347-356.

Yamane M. // Ibid. 1964. Vol. 14. P. 355.

RoslekJ., Gukowcki IP., Lasa S. H Chem. Anal. 1976. Vol. 21. P. 1251.

Kavadsoe K„ Kamo T., Takata E„ Sikami N. // Bunseku kagaku. 1985.

Vol. 34. P. 309.

Спивак H.A. И Журн. аналит. химии. 1982. Т. 37. С. 759.

Lovelock S.E. Ц Nature. 1960. Vol. 186. Р. 401.

Roesler S. // Anal. Chem. 1964. Vol. 36. P. 1900.

Locke D.C., Meloan Y.E. // Ibid. 1965. Vol. 37. P. 389.

Price EC. IP, Fenimor D.C., Simmonds P.G., Ziatkis A. // Ibid. 1968.

Vol. 40. P. 541.

Freeman R.R., Wentworth W.£.//Ibid. 1971. Vol. 43. P. 1987.

Jin Q„ Yang G., Guo Z„ Lio J. H Microchem J. 1987. Vol. 35. P. 281.

SevdcJ., Krysl S. // Chromatographia. 1974. Vol. 6. P. 375.

Ostojic N„ Sternberg Z. И Ibid. 1974. Vol. 7. P. 3.

Driscoll J.N., Ford S., Jaramillo i. et al. // Amer. Lab. 1978. Vol. 10. P. 137.

Langhorst M.l. 1/3. Chromatogr. Sci. 1981. Vol. 19. P. 98.

Jaramillo I., Driscoll J.N., Atwood E.S. et al. // Abstr. Pap. Pittsburgh Conf, and Expos. Anal. Chem. and Appl. Spectroscopy, Atlantic City, N.J. 1982. Pittsburgh (Pa.), 1982. N 477.

Nutmagul W„ Cronn D.R., Hill H.H. // Anal Chem. 1983. Vol. 55. P. 2160.

Wentworth W.E., Tishbee A., Batten C.F.. Ziatkis A. //J. Chromatogr. 1975. Vol. 112. P. 229.

^ID. Kapila S„ Borhop D.J., Manaham S.E., Nichell G.L. // Ibid. 1985. Vol. 259. P. 205.

Meili J., Bronniman P., Brechbuhler B. et. al. // J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1979. Vol. 2. P. 475.

Berg S„ Jonsson А. И Ibid. 1984. Vol. 7. P. 687.

Jonsson A., Berg S. H J. Chromatogr. 1983. Vo). 279. P. 307.

Riggin R.M., Cole T.F., Billets S. // Anal. Chem. 1983. Vol. 55. P. 1862.

Amin T.A., Narang R.S. H Ibid. 1985. Vol. 57. P. 648.

Kopczvnsky S.L. // Anal. Lett. 1984. Vol. 17. P. 97.

Krull LS., Swartz M„ Driscoll J.N. H Ibid. Vol. 17. P. 2364.

KrulH.S., Swartz M„ Driscoll J.N. //Ibid. 1985. Vol. 18. P. 2619.

Norlander B„ Carlsson B„ Bertler А. // J. Chromatogr. Biochem. Appl. 1986. Vol.375. P. 313.

Будович ВЛ., Шляхов А.Ф. // Успехи химии. 1989. Т. 58, № 8. С.1354-1383.

Marr G.V. Photoionization process in gases. N.Y.: Acad, press, 1968.

Matacha M., Smolkova E. // J. Chromatogr. 1976. Vol. 127. P. 163.

Roberts T.R. Radiochromatography. Amsterdam: Elsevier, 1978. Pyc. пер.: Радиохроматография. M.: Мир, 1981.

Conder J.P., Young C.L. Physico-chemical measurements by gas chromatography. N.Y.: Wiley, 1979. 651 p.

Matacha M. // Radioisotopy. 1980. Vol. 21, N 5. P. 609-683.

Kiricsi L, Varga K„ Fejes P. // J. Chromatogr. 1976. Vol. 123, N 2. P. 279-286.

Weber H„ Holler M„ Breuer H. // Ibid. 1982. Vol. 235, N 2. P. 523-526.

Rodriguez P.A., Culvertson C.R., Eddy C.L. H Ibid. 1983. Vol. 264. p. 393-404.

Bruner F„ Cartoni G.P., Possanzini M. // Anal. Chem. 1969. Vol. 41. P. 1122.

Gross D., Gutekunst H„ Blaser A., Hambock H. H J- Chromatogr. 1980. Vol. 198, N 4. P. 389-396.

Coffey P., Mattson D.R., Wright J.С. И Amer. Lab. 1978. Vol. 10, N 5. P. 126-132.

Gomer-Taylor M.M., Griffits P.R. H Anal. Chem. 1978. Vol. 50, N 3. P. 422-425.

Shafer K.H., Bjorseth A., Tabor J., Jakobsen R,J. // J. High Resoluc. Chromatogr. Chromatogr. Commun., 1980. Vol. 3, N 2. P. 87-88.

Griffiths P.R. H Anal. A ppi. FT-IR Mol. and Biol. Sy st: Proc. NATO Adv. Study Inst., Florence, 1979. Dordrecht: Kluwer, 1980. P. 149-155.

Montag P. // Intern. Sympos. on Instrum. Anal. Chem. and Comput. Technol. “InCom 98", Dusseldorf, Germany, Mar. 23-30, 1998. Dusseldorf. 1998. P. 269.

Durrant K„ McLean IVX // Lab. Equip. Dig. 1973. Vol. 11, N 4. P. 156-160.

McLean W.R., Stanton D.L., Penketh G.E. // Analyst. 1973. Vol. 98, N 1167. P. 432-442.

Serravallo F.A., Risby Т.Н. // J. Chromatogr. Sci. 1974. Vol. 12, N 10. P. 585-591.

Ohls K.. Sommer D. // ICP Inform. Newslett. 1980. Vol. 6. N 7. P. 377-378.

Quan X., Sun C., Offerer M. et al. H 23rd Intern. Symp. on Capillary Chromatogr., Riva del Garda, Italy. June 5-10, 2000. Riva de! Garda, 2000. P. 14.

Брицке M. Атомно-абсорбционный спектрохимический анализ. M.: Химия, 1982. 223 с.

EnqvisU. Identification of non-phosphorous warfare agents/The Ministry of Foreign Affairs of Finland. Helsinki, 1982.

Александров B.H., Емельянов В.И. Отравляющие вещества. М.: Во- ениздат, 1990. 399 с.

D'Agostino Р.А., Proves L.P. Identification of compounds in mustard hydrolysate, Canada: DRESSR-488. Ottawa, 1988.

Kurata H. // Chemical weapons: Destruction and Conversion. L: Taylor and Francis, 1980. 201 p.

Somany S.M. Chemical warfare agents. San Diego: Academic, 1992.

Kaiser R. Chromatographic in der Gasphase. Th. 4. Quantitative Auswertung. Mannheim: Bibliogr. Inst. 1975.

Jentzsch D., Otte E. Detectoren in der Gas-Chromatographie. Frankfurt a. M.: Akad.-Ver). 1970.

David D. Gas Chromatographic Detectors. N.Y.: Wiley, 1974.

Oehme M. Gas-chromatographische Detectoren. Heidelberg: Hiithig, 1982.

Henneberg D„ Schomburg G. H Gas chromatography. 1962 / Ed. M. van Swaay. L: Butterworths, 1962. P. 191.

Dorsey J.A., HuntR.H., O’Neal MJ. // Anal. Chem. 1963. Vol. 35. P. 511.

Watson J.T., Biemann K. // Anal. Chem. 1964. Vol. 36. P. 1135.

Horning E.C., Carroll D.L, Dzidic I. et al. H J. Chromatogr. Sei. 1974. Vol. 12. P. 630.

Sato T,, Takimoto S., Kohsaka L, Nagayanagi К. Ц Shimadzu Rev. 1979. Vol. 36, N 3/4. P. 101-109.

Jones T. Ц Abstr. Pap. Pittsburgh Conf. Anal. Chem. and Appl. Spectroscopy, Atlantic City, NJ. 1980. Pittsburgh (Pa.), 1980. P. 48.

Кристалл-200OM: Проспект/СКВ “Хроматек". Йошкар-Ола, 1998.

May S.P. The use of computers for laboratory automation. Boca Raton (Fla.): CRC press, 1994.

Barnes J.R. Electronic system design: Interference and noise control techniques. Englewood Cliffs (N.J.): CRC press, 1987.

Tokheim R. Digital electronics. N.Y., 1984.

Dalton R„ Mueller S. IBM PC/2™ Handbook, Cannel: 1088.

Horowitz P„ Hill IV. The art of electronics. Cambridge etc.: Cambridge Univ, press, 1981.

yUSojak L.. Hrivnac J., Ostrovskij L, Janak J. Ц J. Chromatogr. 1973. Vol.91.P.617.

Scott R., Kamming S. H Gas chromatography, 1960/ Ed. R.P.W. Scott. L.: Butterworths. 1960.

Scott R.P.W. //Nature. I960. Vol. 185. P. 312.

Desty D.H., Goldup A., Swanton W.T. I I Gas chromatography / Ed. N. Brenner et al. N.Y.; L.: Acad, press, 1962. P. 105.

Purnell J.H., Quinn C.P. H Gas chromatography, 1960 / Ed. R.P.W. Scott. L: Butterworths, 1960. P. 184. Рус. пер. в кн.: Газовая хроматография. М.: Мир, 1964. С. 248.

Charrier G., Dupuis М.С., Merlivat J.С. et al. H Chromatographia. 1972.

Vol. 4. P. 119.

Gill J. M. //J. Chromatogr. Sci. 1972. Vol. 10. P. 1.

Jellum E„ Helland P., Eldfarn L. et at. // J. Chromatogr. 1975. Vol. 112. P. 573.

Dessy R.E.. Reynolds W.D., Nunn W.G. et al. Ц Ibid. 1976. Vol. 126. P. 347.

Horning M.G.. Nowlin J., Stafford M. et al. H Ibid. 1975. Vol. 112. P. 605.

Stillwell R.N., Stillwell W.G. H Ibid. 1976. Vol. 126. P. 547.

Doinne V.C., Roudbhler D.P., Ashler E.K. et ai. H J. Energie Master. 1986. Vol. 4. P. 447.

Guiochon G.//Anal. Ghent. 1978. Vol. 50, N 13. P. 1812-1822.

Jones F.S. H J. Chromatogr. Sci. 1980. Vol. 18, N 12. P. 664- 669.

Jonsson J.A., Malhiasson L. H J. Chromatogr. 1981. Vol. 219, N 3. P. 427—430.

MacDonald J.C J! Атед. Lab. 1981. Vol. 13,N2. P. 134-137.

Schujtes C.P.M., Cramers C.A., VidaFMajiar C., Guiochon G. H J. Chromatogr. 1983. Vol. 279. P. 269-277.

Smith S.A., Adams G.E. // Ibid. P. 623-630.

Maeno S., Rodriguez P.A, // J. Chromatogr. A. 1996. Vol. 731, N 1/2. P. 201-216.

Singh H.,Aue IKA. // Ibid. Vol. 746. P. 43-51.

Hansen TJ., Archer M.C., Tannenbaum S.R. //Anal. Chern. 1978. Vol. 51, P. 1526.

Micro GC, HP. Портативные газовые хроматографы: Проспект фирмы “Хьюлетт-Паккард”. Norwalk (Conn.), 1999.

Lafleur A.L. Marrissean B.D. // Anal. Chem. 1980. Vol. 52. P. 1313.

Douse J.M.F. HJ. Chromatogr. 1987. Vol. 410. P. 181-189.

Rounbehler D.P., McDonald S.J., Lieb D.P., Fine D.H. H Proc. I Intern. Symp. Explosive Detect. Technol., Atlantic City, N.J., Nov., 13-15, 1991. Atlantic City (NJ.). 1991. P. 703-713.

Jackson A., Bromberg E.E.A. Diplomatic Securities Division. Wash. (D.C.): Department of State, 1991.

Nacson S., Miichner B., Legrady O. et al. // Proc. I Intern. Symp. Exprosive Detect., Technol., Atlantic City, N.J., Nov. 13-15, 1991. Atlantic City (NJ.), 1991. P. 714-721.

Overton E.B., Dharmasena H.P., Ehrmann U„ Carney K.R. // Field Anal, Chem. Technol. 1996. Vol. 1, N 2. P. 87-92.

Overton E.B., Carney K.R. H Trends Anal. Chem. 1994. Vol. 9. P. 252-257.

International recomend at ions: Portable gas chromatographs for field measurements of hazardous chemical pollutants. P.; Organisation Internationale de Metrologie Legale, 1994.

Wilhite IV.F. // J. Gas Chromatogr. 1966. Vol. 4. P. 47.

Simmonds P.Q., Shulman G.P., Stembridge C.H. // J. Chromatogr. Sci. 1969. Vol. 7. P. 36.

Gel’man B.G., Zolotukhin B.G., Lamonov N.L et al. An analysis of the chemical composition of the atmosphere of Venus on an AMS of the Venera-12 using a gas chromatograph. Houston, 1979. (NASA Trans. Rep. N TM-75476),

Oyama V.L, Carle G.C., Woeller F. // Science. 1979. Vol. 205. P. 52-54.

Etire L.S. Introduction to open tubular columns. Norwalk (Conn.): Perkin- Elmer, 1978.

Kaiser R. Chromatographic in der Gasphase. Th. 2. Kapillary Chromatographic. Mannheim; Bibliogr. Inst., 1961.

Komarek K„ Churacek J., TesaFik K., Svec M. // Capillary gas chromatography. Pardubice: VSCHI, 1978. P. 125.

Руденко Б.А. Капиллярная хроматография. M.: Наука, 1978. 222 с.

Sehnde Е. Praxis der Kapillar Gas-Chromatographie mit Beispielen aus Lebensmictel und Umweltchemie. B.: Springer, 1983.

Groh K. Making and manipulating capillary columns for gas chromatography. Heidelberg: Huthig, 1986.

Modem practice of gas chromatography / Ed. R.L. Grob. N.Y.: Wiley, 1995. 888 p.

Onuska F.I., Karasek F.W. Open tubular column gas chromatography in environmental sciences. N.Y.: Plenum press, 1984.

Grant D.W. Capillary Gas Chromatography. Chichester: Wiley, 1996.

Глава 8СОЧЕТАНИЕ КАПИЛЛЯРНОЙХРОМАТОГРАФИИИ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ

ХРОМАТО-МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ -НАИБОЛЕЕ СОВЕРШЕННЫЙ МЕТОДАНАЛИЗА СОСТАВА ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Повышение эффективности газохроматографического разделения приводит к резкому увеличению числа компонентов, регистрируемых на хроматограмме. При анализе сложных смесей, встречающихся при изучении нефтехимических продуктов, анализе загрязнений окружающей среды или в медико-биологических исследованиях, число разделяемых компонентов, зафиксированных на хроматограмме при эффективности разделения 50-100 тыс. т.т., может достигать 500-600 и более. В этих условиях с исключительной остротой встает проблема идентификации пиков.

При наличии среди анализируемых компонентов соединений, имеющих значительные различия в составе и строении, определенная информация об их природе может быть получена с помощью селективных детекторов, описанных в предыдущей главе. Однако их возможности ограничены выявлением таких особенностей состава и структуры определяемых веществ, как наличие или отсутствие атомов галогенов, азота, серы, фосфора, присутствие кратных связей и т.п. Селективные детекторы оказываются неэффективными при идентификации близких по составу и строению компонентов смесей. При использовании капиллярных колонок малоприменимы также и методы реакционной хроматографии вследствие того, что любые реакторы, включенные до капиллярной колонки или после нее, резко снижают достигаемую эффективность разделения. Поэтому в качестве средства идентификации компонентов смесей, разделяемых с помощью

капиллярной хроматографии, находит широкое применение метод масс-спектрометрии органических соединений.

Первоначальные попытки объединения капиллярной хроматографии и масс-спектрометрии были продиктованы стремлением добиться высокой чувствительности детектирования, необходимой для реализации высокой разделяющей способности капиллярных колонок [1-3]. Однако в дальнейшем богатые возможности масс-спектрометрии как средства изучения структуры соединений, разделенных с помощью газовой хроматографии, были широко использованы в многочисленных конструкциях комбинированных приборов, объединяющих преимущества обоих методов, Развитие этого направления привело к созданию хромато- масс-спектрометрии - наиболее совершенного метода изучения состава сложных смесей веществ, сочетающего высокую разделяющую способность капиллярной хроматографии с присущими масс-спектрометрии высокой чувствительностью и большими возможностями получения информации о составе и строении анализируемых соединений.

Основная идея этого объединения весьма проста и заключается в том, чтобы зафиксировать масс-спектр идентифицируемого соединения за время, малое по сравнению с временем, в течение которого соответствующая зона выходит из капиллярной колонки. Разделенные в колонке соединения поступают в масс- спектрометр, где их молекулы ионизируются и образующиеся ионы подвергаются разделению по их массе, точнее по величине отношения массы к заряду. В процессе ионизации органических соединений обычно происходит распад исходной молекулы на бо- ■ лее простые фрагменты, регистрируемые как ионы с меньшей массой. Ионизация молекул может осуществляться при соударениях с быстро движущимися электронами, термическим путем, под влиянием высокочастотного электромагнитного поля, при действии искрового или дугового разряда или в результате так называемой химической ионизации [4]. Образующиеся ионы разгоняются в электрическом поле, после чего подвергаются разделению по их массам с помощью анализаторов различного типа.

Все процессы в масс-спектрометре протекают в высоком вакууме при остаточном давлении 10 -10"5 мм рт. ст. Для определения массы образующихся ионов полученный ионный пучок подвергают воздействию ориентированных определенным образом электрических и магнитных полей. В электрическом поле отклонение от прямолинейной траектории быстро движущихся заряженных частиц обратно пропорционально их кинетической энергии, т.е. величине mv^le, где т - масса иона, и - его скорость, а е - заряд. В магнитном поле их отклонение обратно пропорци-

Рис. 98. Схема двойной фокусировки в масс-спектрометре Маттау- ха-Герцога

/ - ионный источник; 2 - анализируемое соединение; 3 - ионный пучок; 4 - отклоняющие электроды; 5 - датчик полного ионного тока; 6 - самописец; 7 - магнит; 8 - фотопластинка; 9 - выходная щель; 10 - электронный умножитель

опально величине mvk, т.е. импульсу движущегося иона. В обоих случаях отклонение зависит от величины отношения массы иона к его заряду, т/е. При отклонении пучка ионов, ускоренных в электрическом поле с потенциалом Е, воздействием магнитного поля с напряженностью Н, радиус кривизны траектории г связан с отношением тк иона следующей зависимостью:

mk=HWE. (8-1)

При ускорении образующихся ионов разные частицы приобретают несколько различные скорости, поэтому составляющие ионного пучка различаются не только по массе и заряду, но также и по скорости и в известных пределах по направлению движения. Конструкция масс-спектрометра должна обеспечивать регистрацию частиц с заданным значением тк независимо от их скоростей или направлений движения. Эта задача решается системой фокусировки ионного пучка с помощью совместного действия электрических и магнитных полей. Одна из наиболее совершенных схем двойной фокусировки по направлению частиц и по их скорости дана на рис. 98. Приборы с такой системой фокусировки, называемые масс-спектрометрами Маттауха-Герцога [4], обладают очень высоким разрешением (до 50 000) и позволяют в предельном случае раздельно регистрировать частицы, отличаю-

щиеся на 1/50000 долю своей массы. В практике хромато-масс- спектрометрии наиболее употребительны приборы с разрешением 500-2500.

Для регистрации сфокусированного пучка ионов в настоящее время чаще всего применяют электрометрический метод. Изменяя напряженность электрического или магнитного поля отклоняющей системы, на электроды коллектора - детектора ионов - направляют пучки сфокусированных частиц с последовательно увеличивающейся величиной отношения m/е. Запись значений тока коллектора в зависимости от напряжения отклоняющего поля представляет собой масс-спектр анализируемого соединения.

В ряде конструкций масс-спектрометров для разделения ионов по величине отношения mje используют закономерности движения заряженных частиц в быстро меняющемся электрическом поле, создаваемом системой из четырех электродов определенной конфигурации. Такие приборы, называемые квадрупольными масс-спектрометрами, обладают несколько меньшей разрешающей способностью.

Кроме приборов, в которых дифференциация ионов происходит за счет различного отклонения их в электрических и магнитных полях, довольно распространенными являются масс-спектрометры, в которых ионы с разным отношением массы к заряду различают по времени, в течение которого они проходят определенный путь в вакууме. Такие времяпролетные масс-спектрометры проще по устройству, компактнее и дешевле. Они обладают очень высоким быстродействием, так что весь масс-спектр изучаемого соединения может быть зарегистрирован в доли секунды. Однако разрешающая способность и чувствительность таких приборов заметно ниже, чем у масс-спектрометров с электрическим или электромагнитным отклонением ионного пучка. Особенностям конструкции масс-спектрометров посвящена обширная литература [5-7],

В большинстве случаев в ионном источнике органические молекулы подвергаются воздействиям, энергия которых заметно превышает энергию связей. В наиболее распространенных масс- спектрометрах, в которых ионизация осуществляется путем соударения молекул с быстро движущимися электронами, энергия последних достигает 70 эВ, что намного превышает не только ионизационный потенциал углерода, (11,4 эВ), но и энергию самых прочных связей, встречающихся в органических соединениях [8]. В масс-спектре органических веществ обычно, кроме молекулярного иона, возникающего при отрыве электрона от всей молекулы, наблюдают сигналы частиц с меньшей массой, назы-

ваемых осколочными ионами. Последние возникают в результате разрыва химических связей в анализируемом соединении и отщепления от него отдельных радикалов и групп атомов.

Сопоставление величин массы и интенсивности сигналов наблюдаемых ионов в большинстве случаев позволяет делать вполне определенные заключения о химической структуре изучаемых соединений. Так, например, если масс-спектр соединения содержит пикис m/е, равным 168 (4,4), 139 (38), 125 (14), 97 (18), с относительной интенсивностью, указанной в скобках (в процентах), то можно сделать однозначный выбор между двумя изомерными структурами (I и II) на основании следующих соображений [9].

Указанные значения mie ионов (139 и 125) соответствуют отщеплению этильной и изопропильной групп. Пик, возникающий при отщеплении метильной группы (т/е 153), отсутствует. Зато в спектре имеется интенсивный пик с mid 97, который может отвечать отщеплению этилена (т = 28) от иона с т/е 125 или пропилена (щ = 42) от иона с mie 139 при их последующей перегруппировке. Таким образом, масс-спектр однозначно указывает на то, что анализируемое соединение имеет структуру II.

Вопросу о путях фрагментации органических соединений в процессе ионизации в масс-спектрометре и интерпретации масс- спектров посвящено очень большое число работ, систематизированных в обзорах и руководствах [7, 10-15]. Кроме того, многочисленные масс-спектры органических веществ сведены в каталоги и атласы, существенно облегчающие поиск необходимых данных [16-20].

Если разрешающая способность масс-спектрометра превышает 10 000, то говорят о масс-спектрометрии высокого разрешения. При столь высоком разрешении можно регистрировать тонкие различия масс ионов, соответствующих одному и тому же номинальному значению т]е. Эти различия проявляются в расщеплении пиков, соответствующих частицам, которые имеют приблизительно одинаковую массу, но состоят из разных атомов. Атомные массы изотопов, выраженные в углеродных единицах

Рис, 99. Масс-спектрограмма моле- Iкулярных ионов моноксида углерода

I(/), азота (2) и этилена (3), получен-

Iная на масс-спектрографе высокого

Iразрешения

Iатомной массы, обычно не выра-

Iжаются целыми числами, а быва

ют чуть больше или чуть меньше ближайших целых значений. Так, точное значение атомных масс: ’Н - 1,0078, !6О - 15,9949, iyF - 28,0312 —।I— 27,9949 mle 18,9984, i4N - 14,0032. Поэтому

28,0064составленные из разных атомов

молекулы с одним и тем же целым значением молекулярной массы будут иметь несколько различающиеся истинные молекулярные массы и в соответствии с этим могут давать разные сигналы в масс-спектрометре высокого разрешения. Так, например, молекулярный азот, моноксид углерода и этилен имеют истинные значения молекулярных масс 28,0064, 27,9949 и 28,0312, соответственно. Поэтому в масс-спектрометре высокого разрешения смесь этих веществ даст три пика (рис. 99).

Более важным преимуществом масс-спектрометрии высокого разрешения является то обстоятельство, что значения масс ионов, полученные с точностью до третьего-четвертого знака после запятой, как правило, однозначно определяют их состав или допускают очень небольшое число вариантов [21]. Так, например, молекулярной массе алкалоида эборнаменина 308 может соответствовать более двухсот различных комбинаций атомов. С другой стороны, точному значению молекулярной массы этого соединения 308,188 ± 0,001, найденному с помощью масс-спектрометрии высокого разрешения, соответствует только одна брутто-формула C20H24N2O [22]. Данные масс-спектрометрии высокого разрешения для сложных молекул представляются в виде так называемых элементных таблиц [22], в которых перечисляются ближайшие к найденным целые значения mle, комбинации атомов, возможные для наблюдаемых точных значений, т/е и относительная интенсивность соответствующих пиков. Кроме того, в таблице указывают также расхождения между наблюдаемым и вычисленным для данной брутто-формулы значением т/е.

Указанные особенности масс-спектрометрии высокого разрешения делают этот метод мощным инструментом установления состава и строения молекул органических соединений. Одна-

ко эти возможности могут быть в полной мере реализованы лишь при масс-спектрометрическом анализе индивидуальных соединений. Уже при наличии в смеси двух компонентов интерпретация спектров резко усложняется и при дальнейшем увеличении их числа становится вообще невозможной. Сочетание масс-спектрометрии с высокоэффективной капиллярной хроматографией практически нацело ликвидирует эту слабость масс- слектрометрического метода и создает принципиально новые возможности определения качественного и количественного состава сложных смесей органических соединений. Еще более расширяет возможности такой системы включение в нее электронно-вычислительных машин, обеспечивающих быструю обработку получаемых результатов и значительно облегчающих решение проблемы идентификации пиков разделенных компонентов .на хроматограмме. Нет сомнений, что такое сочетание средств разделения веществ, изучения их структуры и интерпретации получаемых результатов создает качественно новый и наиболее совершенный метод исследования состава органических веществ.

ОСОБЕННОСТИ АППАРАТУРЫ.ТРЕБОВАНИЯ К МАСС-СПЕКТРОМЕТРАМ

Объединение в одном приборе хроматографа и масс-спектрометра для полной реализации их возможностей требует выполнения ряда условий. Процессы в масс-спектрометре протекают в глубоком вакууме порядка 10"6 мм рт. ст. Даже небольшое количество газа, которое истекает из капиллярной колонки, при непосредственной подаче в масс-спектрометр резко повышает давление в нем, что приводит к снижению чувствительности и потере разрешающей способности вследствие увеличения частоты столкновений ионов с молекулами газа-носителя. Поэтому, хотя многие масс-спектрометры допускают скорость ввода газообразных проб до 0,2 мл/мин (скорость напуска), все же до подачи в масс-спектрометр фракций, элюируемых из капиллярной колонки, необходимо удалить из них большую часть газа-носителя (80-90%). Это достигается путем применения специальных устройств, называемых молекулярными сепараторами (см. ниже).

Существует два основных подхода к применению масс-спектрометрии для исследования природы веществ, элюируемых из колонки. В первом из них в течение процесса проявления хроматограммы регистрируется интенсивность пика, соответствующе-

14%210-1,75%,100 -6,61%.'46-0,50%.'120-0,16% J205-2,07%149-1^7%.'194-0,11%."242 -14%210-1,75%,100 -6,61%.'46-0,50%.'120-0,16% J205-2,07%149-1^7%.'194-0,11%."242 -TNTTNTRDXRDXt^4t^42504,162504,163004,993004,99^i C350 5,83^i C350 5,83HMXHMX400 Tetryl 4506,667,49 мин400 Tetryl 4506,667,49 мин

14%

210-

1,75%,

100 -

6,61%.'

46-

0,50%.'

120-

0,16% J

205-

2,07%

149-

1^7%.'

194-

0,11%."

242 -

14%

210-

1,75%,

100 -

6,61%.'

46-

0,50%.'

120-

0,16% J

205-

2,07%

149-

1^7%.'

194-

0,11%."

242 -

TNT

TNT

RDX

RDX

t^4

t^4

250

4,16

250

4,16

300

4,99

300

4,99

^i C

350 5,83

^i C

350 5,83

HMX

HMX

400 Tetryl 450

6,667,49 мин

400 Tetryl 450

6,667,49 мин

Рис. 100. Масс-фрагментограмма смеси взрывчатых веществ (10 млрд-’ каждого), извлеченных из водной пробы жидкостной экстракцией

Зарегистрированы сигналы характеристических ионов следующих взрывчатых веществ: TNT - 2,4,6-тринитротолуол; RDX - 1,3,5-тринитро-1,3,5-триаза- циклогексан (Гексоген); HMX - 1,3,5,7-тетранитро-1,3,5,7-тетраазациклооктан (Октаген); Tetryl - 2,4,6,/У-тетранитро-М-метиланилин

го заранее выбранному значению mie какого-либо фрагмента, характерного для одного или нескольких изучаемых соединений. Применяя многоканальные системы записи, можно одновременно зарегистрировать изменение интенсивности пиков, соответствующих нескольким таким фрагментам, что позволяет сделать определенные суждения о структуре разделяемых соединений. Можно также получить набор таких данных, последовательно повторяя процесс хроматографии и регистрируя каждый раз изменение интенсивности пика одного из фрагментов. Такой метод анализа, часто называемый масс-фрагментографией, предъявляет менее сложные требования к масс-спектрометрической аппаратуре, но в то же время дает меньше информации и требует больше времени для ее получения [23-27]. Тем не менее, такой метод был с успехом использован при анализе смесей углеводородов, природных соединений, биологически активных веществ типа стероидных гормонов, фармацевтических препаратов и т.п. [28-30]. Пример зарегистрированной таким путем фрагменто- граммы представлен на рис. 100 [31].

Другой подход заключается в том, что при элюировании хроматографического пика масс-спектрометр регистрирует полный масс-спектр данного соединения. Такой метод дает значительно более обширную информацию о природе анализируемых продуктов, но в то же время предъявляет существенно более жесткие требования к аппаратуре.

Это связано с тем, что время, в течение которого из колонки элюируется хроматографический пик, при капиллярной хроматографии во многих случаях не превышает 5-10 сек. За это время концентрация элюируемого вещества изменяется от нуля до максимума и вновь падает до нуля. Поэтому для получения неискаженных масс-спектров время регистрации спектра (время развертки) должно быть весьма небольшим по сравнению с временем элюирования (1-2 сек), чтобы концентрацию вещества в течение времени развертки можно было бы считать примерно постоянной.

Наличие молекулярных сепараторов и возможность быстрой развертки спектра во всем диапазоне массовых чисел, представляющих интерес в данном конкретном случае, являются основными особенностями хромато-масс-спектрометрических приборов, наиболее часто применяемых в настоящее время. Эти приборы работают именно на основе последнего из двух изложенных принципов [32]. Среди современных масс-спектрометров имеются модели, позволяющие за 1-3 сек зарегистрировать масс-спектры в диапазоне значений т!е от 50 до 500 и выше при разрешении 500 и более [33-35]. Для регистрации масс-спектров с такой скоростью в настоящее время почти всегда используются электронно-вычислительные машины с достаточно большим объемом памяти.

Детектирование сигналов осуществляют с помощью электронного умножителя. Сигнал далее усиливается, переводится в дискретную форму с помощью соответствующих преобразователей и фиксируется в памяти ЭВМ. Электронные умножители, усилители и записывающие устройства должны обладать малым уровнем шума и полосой пропускания 1-10 кгц [19, 36]. Масс- спектры могут далее подвергаться обработке для оценки относительных интенсивностей пиков и сравниваться с масс-спектрами заведомо известных соединений, также хранящихся в памяти ЭВМ. При необходимости ЭВМ воспроизводит масс-спектр и любую другую необходимую информацию.

Для повышения чувствительности масс-спектрометров предпринимались попытки проводить запись масс-спектров более медленно, в течение всего периода времени выхода пика из колонки. При этом применялись устройства, автоматически корре-

ктирующие изменения концентрации вещества в процессе элюирования пика путем учета величины полного ионного тока масс- спектрометра, пропорционального этой концентрации [37, 38]. Кроме того, описаны фоторегистрирующие системы, интегрирующие сигналы, соответствующие каждому пику масс-спектра в течение времени элюирования хроматографического пика из колонки [39]. Однако в настоящее время наибольшее распространение приобрели масс-спектрометрические системы, обеспечивающие достаточно быструю регистрацию масс-спектров.

УДАЛЕНИЕ ГАЗА-НОСИТЕЛЯ.МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СЕПАРАТОРЫ

Хотя в литературе описаны примеры непосредственного ввода истекающего из колонки газа в масс-спектрометр [40, 41], по- видимому, это целесообразно лишь при использовании капиллярных колонок очень малого диаметра (менее 0,1 мм), которые хорошо работают при скорости газа около 0,1 мл/мин, но в настоящее время не слишком распространены. При работе с капиллярными колонками большего диаметра, и, тем более, с наполненными колонками, необходимо при вводе проб в масс-спектрометр удалить основную часть газа-носителя, не уменьшая количество анализируемого вещества. Такое избирательное удаление газа-носителя осуществляется с помощью специальных устройств, называемых молекулярными сепараторами, в которых тем или иным путем обеспечено значительное различие в скоростях проникновения в камеру масс-спектрометра молекул газа- носителя и анализируемого компонента.

Работу сепаратора характеризуют коэффициентом обогащения и эффективностью. Коэффициент обогащения указывает, во сколько раз повышается концентрация вещества в газе-носителе после прохождения через сепаратор, а его эффективность определяется тем, какая доля поступающего на вход сепаратора образца передается далее в масс-спектрометр. Экспериментально коэффициент обогащения и эффективность определяют, вводя в масс- спектрометр одинаковые пробы вещества, для которого известна градуировочная характеристика прибора, сначала непосредственно, а потом через сепаратор. Отношение наблюдаемых концентраций равно коэффициенту обогащения, а отношение интегралов ионного тока - эффективности работы сепаратора [139, 42, 43].

Простейший струйный сепаратор, предложенный ранее Беккером [44] для разделения изотопов, основан на различии момен-

Рис. 101. Струйный сепаратор

а - общая схема; б - сепаратор, выполненный из стекла; / - входное сопло;

2 - выходное сопло

тов инерции молекул разной массы. Схема сепаратора показана на рис. 101л. Легкий газ-носитель - гелий или водород, содержащий пары органического соединения, истекает через узкое сопло диаметром около 0,1 мм в камеру, из которой газ непрерывно откачивается вакуум-насосом. Точно против выходного отверстия сопла, на расстоянии 0,1-0,3 мм от него, имеется выходное отверстие, диаметром 0,2-0,3 мм, через которое газ покидает сепаратор. Благодаря тому, что более тяжелые молекулы обладают большей инерцией и не столь легко изменяют направление своего движения, они преимущественно попадают в выходное отверстие и направляются в масс-спектрометр. Легкие молекулы газа- носителя успевают покинуть струю и удаляются вакуум-насосом. Одна из реально используемых моделей такого сепаратора, выполненная целиком из стекла, показана на рис. 1016.

В практике хромато-масс-спектрометрии часто применяются двухкамерные сепараторы такого типа. При этом первая по ходу газа камера откачивается форвакуумным насосом, а вторая - диффузионным масляным.

Двухступенчатые струйные сепараторы обеспечивают коэффициент обогащения, равный 100, при эффективности 50-60% [45]. Давление в первой камере поддерживают около 0,1 мм рт. ст., а во второй - менее 10'3 мм рт. ст. В обеих камерах должно быть обеспечено вязкостное течение газа, т.е. диаметр сопла должен быть больше длины свободного пробега молекул. Для

работы с капиллярной колонкой при расходе газа на ее выходе 0,5-2,0 мл/мин достаточно применять одноступенчатый сепаратор, который обычно имеет ту же температуру, что и колонка. Струйный сепаратор успешно применяется при работе с капиллярными колонками [46]. При изготовлении струйных сепараторов предъявляются весьма высокие требования к точности размеров отверстий и их взаимного расположения [32]. Тем не менее, они применяются достаточно широко.

Второй распространенный тип молекулярных сепараторов основан на использовании явления эффузии; Если длина свободного пробега молекул газа на входе в отверстие в несколько раз превышает диаметр этого отверстия, то каждый компонент газовой смеси вытекает через это отверстие независимо от других компонентов со скоростью, определяемой разностью парциальных давлений этого компонента на входе и выходе отверстия. Такой режим течения, называемый эффузией, приводит к тому, что газовая смесь перед входом в отверстие обогащается компонентом, концентрация которого в исходной смеси более низкая [47, 48].

Скорость потока /-того компонента Г, имеющего парциальные давления на входе и выходе отверстия р:, и рс„ определяется выражением

Р^ик^-ро), (8-2)

где и - средняя скорость молекул, к^ - постоянная, связанная с размерами и геометрией отверстия.

Так как при высокой температуре средние скорости движения молекул обратно пропорциональны квадратному корню из величины молекулярной массы, то для двух компонентов

(8-4)(8-4)Если давление на выходе отверстия намного меньше давления на входе, т.е. если р, $> р0, что обычно соблюдается в случае эффузионных сепараторов, то

(8-4)

(8-4)

Рг PiW

Отсюда следует, что скорость истечения будет тем больше, чем выше парциальное давление данного компонента и чем ниже его молекулярная масса. Если в качестве газа-носителя используют гелий (М = 4) и из колонки элюируется бензол (М = 78), причем его парциальное давление в элюате в 100 раз меньше, чем парци-

альное давление гелия, то отношение скоростей их эффузионных потоков будет равно:

(8-5)(8-5)-5^ = 100 ^с6н6

(8-5)

(8-5)

Этот пример показывает возможность значительного обогащения проходящего через сепаратор газа более тяжелыми компонентами. При концентрации их около 10-—10’3% достигаемое различие скоростей истечения еще выше и может достигать 105-106.

Молекулярный сепаратор эффузионного типа выполняют в виде трубки или диафрагмы из пористого инертного материала с порами весьма малого размера. Так, сепаратор в форме стеклянной трубки с пористыми стенками имеет диаметр пор около 1 мкм [39, 49]. В трубке с внутренним диаметром 4 мм сохраняется вязкостное течение газа, происходящее без изменения его состава. При скорости гелия 20 мл/мин на входе в сепаратор длиной 20 см коэффициент обогащения составлял около 50. Это означает, что в масс-спектрометр поступало 0,2 мл газа в минуту, а в ионный источник около 50% элюируемого из колонки образца и всего 1% гелия (рис. 102а).

Подробный анализ работы трубчатого эффузионного сепаратора с учетом изменения соотношения парциальных давлений по его длине приводит к заключению, что полная степень обогащения пропорциональна отношению молекулярных масс компонентов и газа-носителя при наличии одной ступени и тому же отношению в степени 1,5 при наличии двух ступеней сепаратора. Эксперименты показали, что на практике достигаются степени обогащения, составляющие 72-85% теоретически предсказанных величин, т.е. около 400, при эффективности 25-50% [50]. При работе с капиллярными колонками вполне достаточным является применение одноступенчатого пористого стеклянного сепаратора. Во избежании адсорбции анализируемых соединений на пористых стенках сепаратора и связанного с этим искажения формы пиков и потери эффективности разделения, сепаратор подвергают сила- низации путем обработки раствором диметилдихлорсилана в толуоле с последующей промывкой метанолом, либо путем обработки парами бис-(триметилсилил)ацетамида при 150°С [51, 521].

Известны конструкции эффузионных сепараторов с пористой трубкой или мембраной из нержавеющей стали. Средний диаметр пор в таких фильтрах может составлять 0,1 мкм [43]. Такие сепараторы удобны в работе, обладают высокой термостойкостью и обеспечивают коэффициент обогащения до 100 при эф-

вакуумвакуумвввход газаиз колонкивход газаиз колонкиРис. 102. Сепараторы с полупроницаемой мембранойа - с пористой трубкой; б - с полупроницаемым фторопластовым капилляром; в - с полупроницаемыми мембранами из силиконовой резины; / - фторопластовый капилляр; 2 - силиконовые мембраныРис. 102. Сепараторы с полупроницаемой мембранойа - с пористой трубкой; б - с полупроницаемым фторопластовым капилляром; в - с полупроницаемыми мембранами из силиконовой резины; / - фторопластовый капилляр; 2 - силиконовые мембраны

вакуум

вакуум

в

в

вход газаиз колонки

вход газаиз колонки

Рис. 102. Сепараторы с полупроницаемой мембраной

а - с пористой трубкой; б - с полупроницаемым фторопластовым капилляром; в - с полупроницаемыми мембранами из силиконовой резины; / - фторопластовый капилляр; 2 - силиконовые мембраны

Рис. 102. Сепараторы с полупроницаемой мембраной

а - с пористой трубкой; б - с полупроницаемым фторопластовым капилляром; в - с полупроницаемыми мембранами из силиконовой резины; / - фторопластовый капилляр; 2 - силиконовые мембраны

фективности 40%. При работе с труднолетучими и малоустойчивыми соединениями, например с триметилсилильными производными нуклеотидов, такие сепараторы, как и стеклянные, требуют силанизации диметилдихлорсиланом с последующей обработкой метанолом [43, 53]. Эффузионные сепараторы с пористыми серебряными мембранами имеют средний диаметр пор около 0,2 мкм. При этом достигается степень обогащения 100 и более при достаточно высокой эффективности [54]. Для работы с капиллярными колонками удобен миниатюрный сепаратор с пори-

стой серебряной мембраной толщиной 0,05 мм и диаметром 6 мм, имеющей поры размером 3 мкм [55].

Весьма значительные степени обогащения и довольно высокая эффективность могут быть получены при использовании молекулярных сепараторов с полупроницаемыми пластмассовыми или резиновыми мембранами. В зависимости от типа полимера в этих сепараторах происходит либо преимущественное проникновение легких молекул газа-носителя, либо, наоборот, преимущественное проникновение органического компонента, избирательно сорбируемого материалом мембраны. Примером полимерного материала первого типа является политетрафторэтилен (тефлон). Основной частью молекулярного сепаратора, показанного на рис. 1026, является тонкий тефлоновый капилляр длиной около 2 м с внутренним диаметром 0,25 мм и толщиной стенок 0,125 мм. Газ-носитель из колонки проходит через капилляр, помещенный в эвакуированную полость. При температуре 280-290°€ через тонкие стенки капилляра проникает преимущественно гелий, что делает механизм обогащения в таком сепараторе схожим с сепараторами эффузионного типа. В сепараторе с тефлоновым капилляром достигаются степени обогащения более 200 при эффективности 40-70%. Работа этого сепаратора очень сильно зависит от температуры: при 250°€ диффузия газа через стенки капилляра вообще не происходит, а при 350°€ имеет место полная утечка определяемого компонента [56].

Механизм переноса гелия полностью не выяснен, хотя можно определенно утверждать, что в стенках капилляра отсутствуют мелкие поры [42, 57-59]. Благодаря малой скорости перемещения газа в узком капилляре наблюдается задержка во времени поступления образца из капиллярной колонки в масс-спектрометр. Эта задержка, составляющая 20-30 сек, в ряде случаев может быть также связана с сорбцией анализируемых компонентов стенками капилляра, что сопровождается некоторым искажением формы пиков и падением эффективности разделения [56, 60].

Хотя тефлоновый сепаратор успешно использовали при анализе производных аминокислот, сложных эфиров, терпеноидов и стероидных соединений [42, 57], отмечен ряд случаев, когда имеет место химическое взаимодействие этого материала с триметилсилиловыми эфирами, амидами, аминами и галогенопроизводными [161 ].

В сепараторе с полупроницаемой мембраной из силиконовой резины (рис. 102е) используется прямо противоположный процесс - ускоренное проникновение органических молекул через

полимерную силиконовую мембрану [62], В этом случае органические продукты, обладающие повышенной растворимостью в полимерном материале мембраны, селективно сорбируются ее поверхностью, диффундируют через нее и десорбируются в полость ионного источника масс-спектрографа. Такой процесс избирательной проницаемости веществ через полимерные мембраны достаточно интенсивно изучается и используется для разделения некоторых смесей [163]. Поток вещества через мембрану описывается уравнением:

_ SDAM , '

^—pHpi-PoX (8-6)

“м

где F - количество, вещества, проходящего через мембрану за единицу времени; S - растворимость вещества в материале мембраны; D - коэффициент диффузии; Ам - площадь мембраны; dM - ее толщина; р, и р0 - парциальные давления компонента на входной и выходной стороне мембраны.

Благодаря высокой растворимости органических веществ в силиконовой мембране скорость их миграции через нее на несколько порядков выше, чем скорость проникновения обычных газов-носителей. Так, если площадь мембраны 5 см2, толщина 25 мкм, температура 30°С и разность давлений 1 кг/см2, скорость проникновения паров октана составляет 3 мл/сек, а гелия 0,003 мл/сек, т.е. на три порядка меньше. Еще ниже проницаемость мембраны для азота. Поэтому в случае сепаратора, показанного на рис. 102в, в первой мембране сорбируется более 90% элюируемых из колонки органических компонентов. Вещества, диффундирующие через первую мембрану, проходят в камеру между мембранами, в которой поддерживается давление 10^ мм рт. ст. Около 50% проникающего вещества сорбируется второй мембраной и проходит в камеру ионного источника, где давление не превышает 10"7 мм рт. ст. Таким образом достигаются очень высокие степени обогащения (более 105) при эффективности 50-70%.

При указанных выше размерах сепаратора и параметрах мембраны задержка во времени между моментом элюирования пиков из колонки и появлением сигнала масс-спектрометра не превышает 0,1-1 сек. Это позволяет использовать такой сепаратор при работе с капиллярными колонками.

Сепаратор с полимерными мембранами чувствителен к выбору рабочей температуры. При чрезмерно высокой температуре увеличивается проникающая способность газов и падает скорость прохождения через мембрану органических веществ. При

очень низкой температуре сильно замедляется диффузия через мембрану, что приводит к искажению формы пиков. Обычно температуру сепаратора поддерживают на уровне, близком к температуре колонки. Такой сепаратор оказывается весьма удобным при анализе продуктов биологических процессов и при изучении загрязнений атмосферы, так как позволяет отделить такие мешающие определению компоненты, как углекислый газ и пары воды.

При выборе типа сепараторов для работы с капиллярными колонками следует учитывать необходимость иметь возможно меньший его объем и минимальную адсорбционную способность. При использовании некоторых газов-носителей можно исключить сепаратор вообще благодаря специфическим особенностям их химической реакционной способности. Так, в случае водорода высокое обогащение достигалось за счет того, что водород хорошо поглощается пленкой титана в ионно-сорбционных насосах [64].

СОЕДИНЕНИЕ КАПИЛЛЯРНЫХ ХРОМАТОГРАФОВИ МАСС-СПЕКТРОМЕТРОВ

Достаточно эффективная работа комплекса, включающего капиллярный хроматограф и масс-спектрометр, во многом зависит от качественного выполнения узлов соединения газовых коммуникаций этих приборов. Малые значения расхода газов в капиллярной колонке и крайняя нежелательность дополнительного разбавления элюируемых из колонки компонентов вспомогательными газовыми потоками определяют необходимость возможно более компактного взаимного расположения капиллярного хроматографа и масс-спектрометра. В большинстве описанных конструкций хроматограф располагается в непосредственной близости к ионному источнику масс-спектрометра. Конструкции узлов соединения весьма разнообразны и в большей мере зависят от конкретных особенностей конструктивного оформления каждого из элементов хромато-масс-спектрометрического комплекса.

Ниже приводятся несколько типичных конструкций узлов соединения, позволяющих продемонстрировать их типичные особенности. Все эти конструкции использовались при выполнении сложных и длительных научно-исследовательских работ, что позволило установить их достаточно высокую надежность, эффективность и удобство в работе.

Рис. 103. Соединение металлической капиллярной колонки с ионным источником масс-спектрометра с помощью сепаратора с пористой трубкой из нержавеющей стали

/ - сепаратор: 2 - термостат; 3 - дозирующий вентиль; 4 - фторопластовые прокладки; 5 - вакуумный затвор; 6 - входное отверстие для напуска без хроматографической колонки; 7 - фторопластовый штуцер; 3 - ионизационная камера; 9- ионный источник; 10 - фторопластовый изолятор; // - вакуумное уплотнение; /2-трубка из нержавеющей стали диаметром б мм; 13 - капилляр; 14 -трубка диаметром 1 ,б мм для соединения с сепаратором

Типичная конструкция соединительного узла, удобного при работе с металлическими капиллярными колонками, показана на рис, 103. Особенностью конструкции является наличие коммуникации, выполненной из нержавеющей трубки диаметром около 1 мм, которая проходит через вакуумный шлюз и обогревается электрическим током, протекающим через саму трубку. Для обогащения пробы применяется сепаратор с пористой мембраной из нержавеющей стали. Хроматограф соединяется с сепаратором с помощью трубки длиной 0,6 м и диаметром 1,6 мм, обогреваемой внешним ленточным нагревателем [43].

Пример соединения стеклянной капиллярной колонки с ионным источником масс-спектрометра показан на рис. 104. Выходящий из колонки газ подается непосредственно в вакуумированную камеру ионного источника через сужение диаметром 30 мкм и длиной 10 мм, выполненное в начале стеклянной соединитель-

22Рис. 104. Соединение стеклянной капиллярной колонки с ионным источником масс-спектрометра

2

2

/ - ионный источник масс-спектрометра; 2 - нагреватель; 5 - стенка термостата хроматографа; 4 - соединительная трубка диаметром 6 мм; 5 - капилляр диаметром 30 мкм; о - колонка

ной трубки, снабженной обогревателем [65]. Был использован масс-спектрометр AEI М-12 (фирма “AEI Сайентифик Аппара- тус”, Великобритания) и хроматограф F-l 1 (фирма “Перкин-Эль- мер’, США) со стеклянной капиллярной колонкой, длиной 48 м и диаметром 0,25 мм со стенками, покрытыми полисилоксаном OV-10L Колонка работала при температуре 230°С и скорости газа-носителя 1 мл/мин. Давление в ионном источнике составляло 4 х 10-6 мм рт. ст. Энергия ионизации была 20 эВ, температура источника 250°С.

На рис. 105 приведен пример хроматограммы, зарегистрированной при измерении полного ионного тока масс-спектрометра, применявшегося в системе хроматограф-масс-спектрометр, использованной для получения фрагментограммы [31]. В этой работе капиллярную колонку длиной 100 м и диаметром 0,5 мм с Эмульфором ON-870 соединяли с масс-спектрометром с помощью платинового капилляра длиной 30 см. Аналогичная система была применена и в работе [66].

Подобные системы соединения, хотя и весьма многочисленные, не позволяют достаточно строго контролировать давление на выходе капиллярной колонки. Поэтому не исключена возможность того, что выходное давление будет значительно ниже атмосферного. Это приведет к серьезному возрастанию отношения давлений на входе и на выходе колонки и, следовательно, к существенному падению эффективности разделения. Полностью избежать этого нежелательного эффекта позволяет устройство для соединения стеклянной капиллярной колонки с масс-спектрометром [67] (рис. 106). На конец стеклянной капиллярной колонки одевают отрезок тонкой тефлоновой трубки длиной 3 см, в которую введены два тонких платиновых капилляра. Один из них, диаметром 0,15 мм и 90 см длиной, присоединен к ионному источнику масс-спектрометра (Вариан- МАТ СН4, фирма “Вариан”, США) и служит пневмосопротивлением, обеспечивающим желаемую скорость натекания гелия (-1 мл/мин при 250°С).

Рис. 105. Хроматограмма летучих компонентов мочи пациента, страдающего диабетом, зарегистрированная по изменению полного ионного тока в масс-спектрометре

Вход охлаждающего газа

Рис. 106. Соединение капиллярной колонки с масс-спектрометром, позволяющее концентрировать выходящие компоненты или разбавлять их инертным газом

/ - конец стеклянной капиллярной колонки; 2 - фторопластовая соединительная трубка: 3 — капилляр для соединения с ионным источником масс-спектрометра; 4 - защитная трубка; 5 - подвод инертного газа для разбавления пиков; 6 - трубчатый нагреватель; 7 - продувка гелием

Второй капилляр предназначен для подачи вспомогательного потока газа, позволяющего понизить концентрацию вводимого в масс-спектрометр вещества при элюировании пиков с чрезмерно высокой концентрацией (растворители, силилирующие агенты, основные компоненты смесей при анализе микропримесей и т.п.).

Время разбавления пика в этом случае измеряется несколькими десятыми долями секунды. С другой стороны, при элюировании вещества, имеющего большое время удерживания и вследствие этого низкую концентрацию в максимуме пика, можно подавать сильно охлажденный гелий в защитную рубашку 4, изготовленную из стальных нержавеющих трубок диаметром 3 мм. Такое "улавливание” компонента в начальном участке входного капилляра масс-спектрометра при последующем быстром нагреве позволяет существенно увеличить концентрацию вещества, поступающего в ионный источник (рис. 107), и зарегистрировать четкие масс-спектры. На рис. 107 видно, что применение такого охлаждения увеличивает концентрацию вещества в максимуме пика в 3-4 раза. Скорость нагрева можно регулировать, изменяя количество нагретого гелия, поступающего по линии 7 (см. рис. 106). При этом необходимо поддерживать скорость испарения вещества, достаточную для того, чтобы спектрометр успел зарегистрировать не менее двух-трех масс-спектров.

Оригинальной чертой описанной конструкции является использование гелия, сбрасываемого через входной делитель, для продувки защитной рубашки. Покидающий делитель потока гелий пропускается через поглотитель и после очистки используется для продувки и обогрева узла соединения капиллярной колонки и масс-спектрометра.

Интересные возможности соединения газохроматографической системы с масс-спектрометром предоставляют приборы с внешней ионизацией. Схема одной из таких систем [68] приведена на рис. 108. Поступающая из капиллярной колонки проба направляется в работающую при атмосферном давлении ионизационную камеру, содержащую радиоактивный изотоп «№. В камере происходит ионизация молекул анализируемых соединений электронным ударом или путем взаимодействия с первичными ионами, возникающими при бомбардировке молекул азота и воды Р-частицами. Образовавшиеся ионы через отверстие диаметром 25 мкм поступают в анализатор квадрупольного масс-спектрометра «Финниган 1015», находящийся в зоне высокого вакуума. Это позволяет поддерживать необходимый вакуум (10"5 мм рт. ст.) при откачке масляным диффузионным насосом с производительностью 900 л/сек. Анализируемые ионы отделялись от нейтральных молекул магнитными линзами и далее поступали в квадрупольную систему. В зависимости от установленных потенциалов ионных линз и стержней квадруполя масс-спектрометр мог анализировать либо положительные, либо отрицательные ионы. Последний вариант значительно облегчает регистрацию молекулярных ионов анализируемых соединений. Чувствитель-

Рис. 107, Увеличение сигнала Р- ситостерина на хроматограмме после предварительного улавливания на охлаждаемом участке колонки. Охлаждение включено через 8 мин и выключено через 9 мин 15 сек после ввода пробы

а - без концентрирования; б - с концентрированием; / - холестерин; 2 - кампестерин; 3 - стигмастерин; 4 - р- ситостерин

ность системы позволяла регистрировать менее 5 х Ю"12 г, причем линейная зависимость сигнала от количества введенной пробы сохранялась по крайней мере в пределах четырех порядков (по 2,6-диметил-у-пирону). Описанная система соединения масс- спектрометра с хроматографической системой имеет большие перспективы применения не только в газовой хроматографии, но и в жидкостной [69].

Рис. 108. Масс-спектрометр с внешней ионизацией, работающий в сочетании с капиллярной колонкой1 - вход газа из хроматографа; 2 - вспомогательный газовый поток: 3 - радиоактивный источник; 4 - отверстие диаметром 1-2 мкм; 5 - диафрагма; 6 - магнитная линза; 7 - квадрупольная система; 8 - электронный умножительРис. 108. Масс-спектрометр с внешней ионизацией, работающий в сочетании с капиллярной колонкой1 - вход газа из хроматографа; 2 - вспомогательный газовый поток: 3 - радиоактивный источник; 4 - отверстие диаметром 1-2 мкм; 5 - диафрагма; 6 - магнитная линза; 7 - квадрупольная система; 8 - электронный умножительВ настоящее время метод хромато-масс-спектрометрии получил весьма значительное развитие и применяется для решения самых разнообразных химико-аналитических проблем. Число публикаций об исследованиях, выполненных с применением этого метода, столь велико, что их рассмотрение в рамках данной книги полностью невозможно. Многие из этих исследований описаны в статьях, публикуемых в журнале Journal of

Рис. 108. Масс-спектрометр с внешней ионизацией, работающий в сочетании с капиллярной колонкой

1 - вход газа из хроматографа; 2 - вспомогательный газовый поток: 3 - радиоактивный источник; 4 - отверстие диаметром 1-2 мкм; 5 - диафрагма; 6 - магнитная линза; 7 - квадрупольная система; 8 - электронный умножитель

Рис. 108. Масс-спектрометр с внешней ионизацией, работающий в сочетании с капиллярной колонкой

1 - вход газа из хроматографа; 2 - вспомогательный газовый поток: 3 - радиоактивный источник; 4 - отверстие диаметром 1-2 мкм; 5 - диафрагма; 6 - магнитная линза; 7 - квадрупольная система; 8 - электронный умножитель

Chromatography, Biochemical Application. Большой опыт, накопленный в этих исследованиях, обобщен в целом ряде монографий, к которым мы вынуждены отослать заинтересованного читателя. Наиболее удачными и информативными среди этих источников представляются книги [70-73]. Некоторые примеры применения хромато-масс-спектрометрического метода, показательные с точки зрения его уровня развития, приведены ниже.

Следует отметить, что успешное использование этого метода возможно только при тщательном проведении хроматографического эксперимента и масс-спектрометрических измерений.

Недостаточное внимание к обеспечению высокого качества разделения резко снижает ценность получаемой информации и сужает возможности всей аналитической системы в целом. Анализ большого числа опубликованных работ показывает, что такая недооценка роли хроматографии в большей мере наблюдается в работах специалистов в области масс-спектрометрии, не имеющих соответствующей хроматографической подготовки. Только там, где хромато-масс-спектрометрические исследования ведутся при тесном контакте специалистов обеих областей, этот метод в полной мере раскрывает свои удивительные возможности, которые еще недавно показались бы фантастическими.

ПРИМЕНЕНИЕ

КАПИЛЛЯРНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ ДЛЯ АНАЛИЗАТРУДНОРАЗДЕЛЯЕМЫХ

И МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ

В настоящее время капиллярная хроматография используется почти столь же широко, как и хроматография на наполненных колонках, и сфера ее применения непрерывно растет. Овладение техникой капиллярной хроматографии является показателем высокого научного и технического уровня аналитической лаборатории. В настоящее время капиллярная хроматография в значительной мере вытеснила наполненные колонки и стала широко применяемым методом, позволяющим в течение короткого времени решать сложнейшие аналитические задачи.

Уже сейчас не представляется возможным и целесообразным рассмотреть в одной книге все опубликованные данные об использовании капиллярной хроматографии. Поэтому ниже приводятся лишь некоторые показательные примеры применения этого метода, которые расположены в порядке постепенного услож-

202530354045505560 6570 Время, мин

707580859095100 105 110 115120 Время, мин

Рис. 109. Хроматограмма смеси углеводородов С|-С9. Капиллярная колонка длиной 91,4 м и диаметром 0,25 мм с пленкой силиконового масла SF-96 толщиной 0,2 мкм при температуре 25°С и скорости газа-носителя 5,2 м/мин. Степень разделения пары н-гептан - н-октан Rt = 72, степень разделения с учетом времени анализа 7,1. В состав смеси входило 88 компонентов. На хроматограмме зарегистрировано 70 пиков. Среди них:

7 - метан; 2 - этан; 3 - пропан; 5 - бутан; 10 - циклопентан; 7 7 - 2,3-диме- тилбу тан; /2-2-метилпентан; /4-н-гексан; /5-2,2-ди метил пентан; /б-метилциклопентан; 79 - 3,3-ди мети л пентан; 20 - циклогексан; 28 - н-гептан; 32 - этилциклопентан; 33 - 2,2,3-триметилпентан; 40 - 2,3,3-триметилпентан; 48 - 1,4-диметил циклогексан; 59 - н-октан; 64 - 2,3,5-триметил гексан; 68 - этилцик- логексан; 70 - пропил циклогексан; пики 21,29,42,45,53,56,58,61 и 63 соответствуют группам неразделенных компонентов

нения решаемых аналитических задач, что в значительной степени повторяет хронологическую последовательность выполнения соответствующих исследований.

Впервые капиллярная хроматография была применена для анализа смесей углеводородов. В опытах Голея [74] и Дийкстры и де Гоэя [75] по разделению простейших углеводородов С4 и С5 с помощью капиллярной хроматографии была достигнута эффективность разделения 12 тыс. т.т. Уже в I960 г., применяя колонки диаметром 0,07 мм, Дести с сотр. [76] впервые осуществили разделение всех изомеров гептана. Помимо достигнутой высокой разделяющей способности, важной особенностью этих исследований явилась исключительно большая скорость разделения - анализ завершался всего за несколько секунд (см. рис. 97).

Одним из наиболее значительных достижений в области анализа углеводородных смесей явились исследования Польга- ра, Холста и Грёнингса [77], осуществивших разделение искусственной смеси, содержащей 88 компонентов (рис. 109). На по-

лученной хроматограмме было зарегистрировано 70 более или менее разделенных пиков. Метод капиллярной хроматографии нашел после этого широкое применение при анализе бензинов, более тяжелых нефтяных фракций жидких топлив, продуктов переработки каменного угля и т.п. [78-81]. Пример хроматограммы, полученной в изотермических условиях, приведен на рис. 110.

Ряд работ по капиллярной хроматографии углеводородов выполнен Шомбургом [82,83]. Используя комбинацию капиллярного хроматографа с масс-спектрометром и электронно-вычислительной машиной, автор изучил состав и строение ряда труднодоступных компонентов, входящих в состав нефтяного сырья и жидких топлив. Особое внимание было обращено на точность и воспроизводимость определения параметров удерживания анализируемых веществ. Благодаря тщательному контролю постоянства всех условий анализа и совершенным методам обработки данных точность определения индексов удерживания достигала 0,1 ед. индекса и менее.

С точностью до 0,03 ед. индекса параметры удерживания углеводородов определялись Рийксом и сотр. [84], применявших комбинированные системы из двух высокоэффективных колонок с жидкими фазами различной полярности. Любая фракция хроматограммы, полученной на первой колонке, могла быть переведена во вторую колонку для более детального исследования.

Разделение смесей в таких системах, включающих две или несколько колонок разной полярности, называют двумерной или, в более общем случае, многомерной газовой хроматографией.

Интересная работа по разделению пентадекана и изомерных пентадеценов выполнена Сояком и др. [85]. Отличительной чертой этого исследования является то, что разделение цис- и транс-изомеров алкенов нормального строения проводили на капиллярной колонке длиной 200 м со скваланом при относительно низкой температуре, что обусловило очень большие времена удерживания, достигающие 12-14 часов (рис. 111).

Хотя эффективность колонки при этом достигала 500 тыс. т.т., что позволило разделить изомеры, различающиеся по температуре кипения на 0,1 °C и менее, такая методика представляется мало пригодной для практического применения.

Сложные смеси алифатических и ароматических соединений разделялись на капиллярных колонках при изучении состава керосиновых фракций нефти [86] и механизма пиролиза ароматических углеводородов [87, 88]. Как видно из хроматограммы на

Рис. ПО. Хроматограмма углеводородов C5-Cg бензиновой фракции [80]. Капиллярная колонка с октадеценом длиной 150 м и диаметром 0,25 мм при ЗО°С, Степень разделения гексана и гептана составляет 21,8. На хроматограмме зарегистрировано 64 пика. Среди них:

/ - изо-пентан; 2 - н-пентан; 4 - циклопентан; 5 - 2,3-диметил бу тан; 6 - 2-метилпентан; 8 - н-гексан; 13 - бензол; 25 - н-гептан; 26 - толуол; 40 - 2,3,3-Триметил пентан; 50 - 3-этилгексан; 64 - н-октан. На хроматограмме указаны пики, соответствующие группам неразделенных компонентой

1111।। 620640।। 620640660660680680720720740740760 Время, мин760 Время, мин

11

11

।।

620640

।।

620640

660

660

680

680

720

720

740

740

760 Время, мин

760 Время, мин

Рис, 111. Хроматограмма смеси н-пентадекана и изомерных пентадеце- нов при 120°С. Колонка со скваланом длиной 200 м и диаметром 0,25 мм

/ - цис-пентаде цен-7; 2 - цис-пентаде цен-6; 3 - цис-пентадецен-5; 4 - транс- пентадецен-7; 5 - транс-пентадецен-6; 6 - транс-пентадецен-5 и цис-пентадецен-4; 7 - транс-пентадецен-4; 8 - транс-пента децен-3; 9 - цис-пентадецен-3; 10 - транс-пентадецен-2; II - н-пентадекан; 12 - цис-пентадецен-2

рис. 112, в анализируемых продуктах было выявлено до 90-100 компонентов.

Необходимость разделения и анализа смесей органических веществ, содержащих продукты, кипящие в интервале нескольких сотен градусов, привела к разработке газовой хроматографии с программированием температуры. Теоретические основы этого плодотворного метода и ряд его приложений для решения сложных аналитических задач с использованием наполненных колонок описаны в превосходной книге Харриса и Хэбгуда [89]. Специально сконструированные опорные устройства для капиллярных колонок и тщательно изготовленные термостаты позволяют достигать очень больших скоростей нагрева, до 50 град/мин и более.

Теоретическое рассмотрение и эксперименты с программированием температуры при разделении на капиллярных колонках, проведенные Хэбгудом и Харрисом [90], показали, что в этом случае даже очень малые скорости повышения температуры могут значительно снижать длительность анализа. Так, например, изотермический анализ нефтяной фракции, содержащей более 122 компонентов, от пропана до нонана, осуществляемый на капиллярной колонке со скваланом длиной 270 м и диаметром 0,152 мм при 25°С, завершается за 1240 мин. Повышение температуры со скоростью всего 0,1 градуса в минуту позволяет сократить время анализа до 390 мин, т.е. более чем в три раза, без существенной потери качества разделения. Типичный пример хроматограммы широкой нефтяной фракции приведен на рис. 113 [28]. Методы программирования температуры стали общепринятыми при анализе многокомпонентных смесей самых разнообразных соединений.

Широко применяется программирование температуры при анализе биологически активных соединений - стероидов, алкалоидов, фармацевтических средств и продуктов их метаболизма. Можно с уверенностью утверждать, что в настоящее время медико-биологические исследования являются одной из важнейших областей применения капиллярной хроматографии, в том числе и с программированием температуры.

Весьма важным является применение капиллярной хроматографии для анализа загрязнений окружающей среды органическими продуктами производственной деятельности человека. Сходным по применяемым методическим принципам является анализ состава запахов. В большинстве случаев для решения таких аналитических проблем требуется программирование температуры колонки в пределах от -50—70°С до 250-300°С, что сопряжено с определенными экспериментальными трудностями.

О 204060 SO 100120140160 Время, мин

Рис. 112. Хроматограмма углеводородов керосиновой фракции нефти, полученная на капиллярной колонке с полисилоксаном длиной 50 м и диаметром 0,5 мм

Рис. 113. Капиллярная хроматограмма широкой нефтяной фракции, полученная на колонке с пол и сил ок санов ой жидкой фазой в условиях программирования температуры. Указаны пики нормальных углеводородов

Капиллярная хроматография с успехом применяется для разделения как гомологов бензола, так и полициклических ароматических углеводородов, что весьма важно при исследовании загрязнений окружающей среды.

Именно появление капиллярной хроматографии позволило дать надежное решение задачи, важной для промышленности искусственного волокна: осуществить анализ изомеров ксилола в смеси с этилбензолом [91}. Одна из первых удачных хроматограмм смеси гомологов бензола, содержащих трудноразделяемую группу изомеров - ж-ксилол, n-ксилол и этилбензол, приведена на рис. 114,

Большое распространение получила капиллярная хроматография при изучении загрязнения окружающей среды полициклическими углеводородами, многие из которых весьма токсичны и обладают высокой канцерогенной активностью. Пример хроматограммы токсичных веществ, определяющих высокий уровень загрязнения окружающей среды в масштабе всего земного шара, приведен на рис. 115. Анализ этих веществ (хлорированных производных дифенила) долгое время представлял неразрешимую проблему [92].

В большинстве случаев анализ полициклических углеводородов и их производных, отличающихся низкой летучестью и высокой адсорбционной способностью, проводят на тщательно дезактивированных высокоэффективных колонках, обычно с программированием температуры в пределах от 100-120 до 300-350°С и выше [93-96]. Во многих случаях для интерпретации получаемых результатов применяются масс-спектрометры и счетно-вычислительные машины. Некоторые хроматограммы, полученные в ходе таких исследований, приведены на рисунках 116 и 117. На последнем рисунке видно, что смеси загрязняющих окружающую среду веществ исключительно сложны по своему составу. Аналогичный или еще более сложный состав имеют смеси продуктов, входящие в состав искусственного жидкого топлива, получаемого из каменного угля [83]. На хроматограмме гексановой фракции такого топлива (рис. 118) зарегистрировано более 90 идентифицированных компонентов. Наибольшее число компонентов (279) найдено в исходной пробе топлива [97].

Эфирные масла или группы веществ, входящие в их состав, широко применяются в пищевой, фармацевтической и парфюмерно-косметической отраслях промышленности, а также, особенно в последние годы, в качестве сырьевого источника ряда ценных природных соединений. Эфирные масла натурального происхождения и смеси продуктов, получаемых при концентрировании веществ, определяющих запах цветов, плодов, фруктов.

О 510 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Время, мин

Рис. 114. Хроматограмма смеси гомологов бензола. Капиллярная колонка длиной 50 м и диаметром 0,25 мм, жидкая фаза - смесь ж-блс-(ме- тафеноксифенокси)бензола и Апиезона L. Скорость повышения температуры 4 град/мин

I - бензол; 2 - толуол; 3 - этилбензол; 4 - и-ксилол; 5 - я-ксилол; 6 - о-ксилол: 7 - изо прол ил бен зол; 8 - и-про пил бензол; 9 - л-этилтолуол; 10 - .и-этилтолуол; I1 - 1,3,5-триметилбензол: /2 - о-этилтолуол; 13 - 1.2,4-триметил бензо л; 14 - 1,2,3-триметилбензол; 15 - ароматические углеводороды С|0-См

Рис. 115. Хроматограмма хлорированных производных дифенила - биологически активных продуктов, входящих в состав препарата Арохлор 1242. Стеклянная капиллярная колонка с Карбоваксом 20 М длиной 54,6 м и диаметром 0,26 мм, температура 200°С. Среди зарегистрированных пиков:

6 - 2,2'-дихлордифенил; 10 - 2,2’,6-трихлордифенил; 14 - 2,2*,3-трихлорди- фенил; 20 - 2,4,4’-трихлордифенил; 25 - 2,2’,5,5’-тетрахлордифенил; 27 - 2,2 ,4,4’-тетрахлордифенил; 30 - 2.2.3,4-тетрахлордифен ил; 38 - 2,3',4’,5-тетра- хлордифенил

пищевых продуктов, напитков, имеют весьма сложный состав. Такие продукты содержат большое число близких по свойствам компонентов. В смеси одновременно присутствуют представители самых разнообразных химических классов, в том числе алифатические и циклические углеводороды, альдегиды, спирты, кетоны, фенолы и их эфиры, карбоновые кислоты, сложные эфиры, лактоны, азотистые и сернистые соединения.

Основными компонентами эфирных масел являются моно- и сесквитерпеновые соединения, многие из которых нестабильны и существуют в виде смеси геометрических и структурных изоме-

Рис. 116, Хроматограмма полициклических ароматических углеводородов, содержащихся в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания и обладающих канцерогенной активностью. Стеклянная капиллярная колонка с полисилоксаном OV-101 длиной 100 м и диаметром 0,4мм,давление гелия 1,3 кг/см, программирование температуры от 100 до 265 °C со скоростью 2 град/мин

/ - растворитель; 2 - нафталин; 3 - аценафтилен; 4 - аценафтен; 5 - фенантрен; 6 - антрацен; 7 - флуорантен; 8 - пирен; 9 - бенз[а]флуорен; /0 - бенз[с]флуорен; 11 - 6eH3[g,h,i [флуорантен; 12 - бенз [а] антрацен; 13 - хризен; 14 - бе из [Ь] флуорантен; 15 - бенз[е]пирен; 16 - бенз[а[пирен; /7 - перилен; 18 - бенз[ёф,|]перилен; /9 - антантрен; 20 - коронен

Рис. 117. Хроматограмма летучих органических соединений в атмосфере г. Ленинграда, сконцентрированных в ловушке с Карбохромом. Разделение проведено на капиллярной колонке длиной 50 м и диаметром 0,5 мм с полярной неподвижной фазой Ucon. Среди 173 идентифицированных с помощью масс-спектрометра компонентов выявлены следующие токсичные углеводороды: 13 - изобутан; 25 - бензол; 40 - н-гексан; 41 - толуол; 62 - этилбензол; 63-65 - изомерные ксилолы; 91-93 - изомеры этилтолуола; 94-96 - изомеры триметилбензола; 97 - изопропилбензол; 98 - я-пропилбензол и др.

Рис. 118. Хроматограмма искусственного жидкого топлива, полученного из каменного угля. Стеклянная капиллярная колонка с полисилоксаном OV-101 длиной 45 м и диаметром 0,15 мм. Программирование температуры от 0 до 220°С со скоростью 2 град/мин. Индентифицировано 94 пика. Среди них:/ - н-гексан; 2 - бензол; 3 - циклогексан; 4 - толуол; 5 - .«-ксилол и «-ксилол; 6 - изопропил циклогексан; 7 - тетралин; 8 - н-до де кан; 9 - дифенил метан; 10 - флуорен; / / - диметилфлуорен; /2 - и-гептаде канРис. 118. Хроматограмма искусственного жидкого топлива, полученного из каменного угля. Стеклянная капиллярная колонка с полисилоксаном OV-101 длиной 45 м и диаметром 0,15 мм. Программирование температуры от 0 до 220°С со скоростью 2 град/мин. Индентифицировано 94 пика. Среди них:/ - н-гексан; 2 - бензол; 3 - циклогексан; 4 - толуол; 5 - .«-ксилол и «-ксилол; 6 - изопропил циклогексан; 7 - тетралин; 8 - н-до де кан; 9 - дифенил метан; 10 - флуорен; / / - диметилфлуорен; /2 - и-гептаде кан015506001550603045607590 Время, мин85ПО130160185 °C3045607590 Время, мин85ПО130160185 °C

Рис. 118. Хроматограмма искусственного жидкого топлива, полученного из каменного угля. Стеклянная капиллярная колонка с полисилоксаном OV-101 длиной 45 м и диаметром 0,15 мм. Программирование температуры от 0 до 220°С со скоростью 2 град/мин. Индентифицировано 94 пика. Среди них:

/ - н-гексан; 2 - бензол; 3 - циклогексан; 4 - толуол; 5 - .«-ксилол и «-ксилол; 6 - изопропил циклогексан; 7 - тетралин; 8 - н-до де кан; 9 - дифенил метан; 10 - флуорен; / / - диметилфлуорен; /2 - и-гептаде кан

Рис. 118. Хроматограмма искусственного жидкого топлива, полученного из каменного угля. Стеклянная капиллярная колонка с полисилоксаном OV-101 длиной 45 м и диаметром 0,15 мм. Программирование температуры от 0 до 220°С со скоростью 2 град/мин. Индентифицировано 94 пика. Среди них:

/ - н-гексан; 2 - бензол; 3 - циклогексан; 4 - толуол; 5 - .«-ксилол и «-ксилол; 6 - изопропил циклогексан; 7 - тетралин; 8 - н-до де кан; 9 - дифенил метан; 10 - флуорен; / / - диметилфлуорен; /2 - и-гептаде кан

015

5060

015

5060

3045607590 Время, мин

85ПО130160185 °C

3045607590 Время, мин

85ПО130160185 °C

Рис. 119. Хроматограмма концентрата земляничного эфирного масла. Стальная колонка длиной 6! м и диаметром 0,25 мм с полярной неподвижной фазой Твин 20; аргоновый ионизационный детектор с радиоактивным стронцием. В смеси идентифицированы изо-пентан, метилпен- тан, н-гексан, диэтиловый эфир, ацетальдегид, ацетон. 1,1-диметоксиэтоксиэтан, метилацетат, этилацетат, 3-метилбутанон-2, метилизобути- рат, метилбутират, 1,2-этоксипропоксиэтан и другие соединения

ров. Вследствие такой сложности состава анализ эфирных масел многие годы являлся пробным камнем для вновь появляющихся аналитических методов. В литературе описан ряд примеров использования капиллярной хроматографии при изучении этой группы объектов. Изучался состав эфирных масел лаванды, бергамота, жасмина, цитрусов (мандарина, лимона, апельсина), земляники [98-104] (рис. 119, 120).

Интересно отметить одну из первых работ по исследованию летучих компонентов плодов, основанную на сочетании капиллярной хроматографии с масс-спектрометрией [105], и единственную в своем роде работу [106] по определению микроколичеств неоизопулегола путем совместного применения капиллярной хроматографии и ЯМР с накопителем, усредняющим большое число(600-800) спектров.

Эфирные масла 14 эфироносов, произрастающих в России и сопредельных странах, в том числе масла розы, лаванды, кориандра, шалфея, фенхеля, хмеля и др., были подробно изучены с помощью капиллярной хроматографии [107-110]. На рис. 120 приведены примеры полученных хроматограмм. С помощью капиллярных колонок изучали также вещества, обусловливающие запах вареного картофеля [111], моркови [112], летучие выделения плодов [ИЗ], душистые компоненты напитков, в том числе веществ, определяющих букет вин [114-116]. Натуральные ароматические эссенции, в частности лимонное масло, изучали методом капиллярной хроматографии с программированием не только температуры, но и скорости газа-носителя [116, 117].

Таким образом, в настоящее время капиллярная хроматография может считаться действенным и перспективным методом изучения состава эфирных масел и ароматических веществ.

КАПИЛЛЯРНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ В БИОХИМИЧЕСКИХ

И МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

Аналитические проблемы, связанные с изучением состава биологических сред и с анализом состава биологически активных веществ, находились в центре внимания исследователей с самого зарождения газохроматографических методов. В первые годы после появления газо-жидкостной хроматографии объектами исследования были в основном относительно летучие продукты. Однако уже в тот период определилась сфера приложения газо-

406080100120140160180 Время, мин

5050100125290 300 310 Время, мин100125290 300 310 Время, мин

50

50

100125290 300 310 Время, мин

100125290 300 310 Время, мин

Рис. 120. Хроматограммы эфирных масел некоторых эфироносов [109]. Капиллярная колонка с диоктилсебацинатом длиной 183 м и диаметром 0,25 мм, при 140°С и давлении азота на входе 1,7 кг/см2

о - порезник горный; б - гладыш шершавый; в - лаванда; 1 - а-пинен; 2 - камфен; 3 - сабинен; 4 - р-пинен; 5 - а-терпинен; 6 - Д3-карен; 7 - дипентен; 8- р-фелландрен; 9- «цимол; /0 - у-терпинен; 1 / - линалоол; /2 - линалилфор- миат; !3 - линалил ацетат; !4 - гераниол

2

Рис. 121. Нормальный метаболический профиль стероидов, анализируемых в форме О-метилоксимов триметилсилильных производных. Стеклянная капиллярная колонка длиной 60 м и диаметром 0.3 мм, неподвижная фаза полисилоксан SE-30 с добавкой коллоидного кремнезема Силанокс; программирование температуры со скоростью I град/мин; начальная температура колонки 200°С. Идентифицированы более 30 компонентов. Среди них:

/ - андростерон; 2 - этиохоланон; 3 - дегидроэпиандростерон: 4 - H[J-ok- си андростерон; 5 - 16а-ок си дегидроэпиандростерон; 6 - прегнандиол; 7 - пре- гнантриол; 8- 5-андростен-ЗР,16а,17Р-триол; 9 - тетра гидро кортизон; 70 - тетра гидро кортизол; 7/ - кортолон (5р-прегнан-33,17р,20а21-тетрол-11-ол); /2 - кортол(5р-прегнан-3а,1 lp.17p.20a.21 -пентол); /3 - бутиловый эфир холестерина (внутренний стандарт)

жидкостной хроматографии к анализу жирных кислот с числом атомов углерода от 2 до 24, ряда их соединений липидного характера, а также веществ с большей летучестью, таких, как газообразные препараты для наркоза и анестезии, газы, участвующие в процессе дыхания, и т.п. С 1960 г. с помощью газовой хроматографии на наполненных колонках начали анализировать стероидные гормоны [118, 119]. В середине 1960-х гг. опубликовано несколько книг, обобщающих накопленный к тому времени опыт использования газовой хроматографии в медико-биологических исследованиях [120-122].

Хотя первые попытки осуществить разделение стероидных гормонов на капиллярных колонках из нержавеющей стали оказались неудачными [123, 124], после развития техники приготовления высокоэффективных стеклянных капиллярных колонок с термостойкими неподвижными фазами [125-129] и разработки методов прямого ввода проб [130-134] был обеспечен успех в

Рис. 122. Метаболический профиль стероидов в период беременности. Анализ О-метилоксимов триметил сил ильных производных выполнен в тех же условиях, как указано в подписи к рис. 121. Идентифицированы 22 компонента, среди них:

1,2,9,13- см. в подписи к рис. 121; 3 - 11 р-оксиандростерон; 4 - 16«-окси- дегидроэпиандростерон; 5 - прегнандиол; б - прегнантриол; 7 - 5-андростен- Зр,16а,17Р-триол; 8 - эстриол. Увеличение концентрации компонентов 4-8 характерно для периода беременности

этой области и были созданы предпосылки для применения капиллярных колонок при изучении состава других труднолетучих биологически активных веществ.

В сочетании с масс-спектрометрическими приборами и счетно-вычислительными устройствами капиллярные колонки позволили проводить широкие исследования, связанные с выявлением особенностей метаболизма стероидов в организме [135-139], его аномалий при различных заболеваниях [140, 141] и т.п. Последние две работы описывают целый ряд приложений капиллярной хроматографии для целей клинического анализа. Примеры хроматограмм, полученных в работе [138], приведены на рис. 121, 122, 123.

Важной для биохимии группой веществ являются жирные кислоты. Будучи одной из самых первых групп веществ, изученных с помощью газовой хроматографии, жирные кислоты разделялись и на капиллярных колонках [142-144]. В большинстве случаев эти вещества перед анализом переводятся в метиловые эфиры.

Рис. 123. Метаболический профиль стероидов пациентки с опухолью яичника, секретирующей тестостерон. Условия анализа и обозначение пиков те же, что в подписи к рис. 121. Резкое увеличение концентрации компонентов 1,2, 4 и 7 указывает на наличие опухоли

Рис. 124. Хроматограмма свободных жирных кислот. Стеклянная капиллярная колонка длиной 38 м с тримерной кислотой С54 при 194 °C и давлении азота 2 кг/см2

Идентифицированы кислоты; / - каприловая; 2 - каприновая; 3 - лауриновая; 4 - миристиновая; 5 - пальмитиновая; 6 - олеиновая; 7 - стеариновая

Рис. 125. Хроматограмма летучих компонентов плазмы крови. Стальная капиллярная колонка длиной 100 м и диаметром 0,5 мм, неподвижная фаза - полимер Витконал LA-23 (фирма “Витко”, США), скорость гелия 6 мл/мин при 25 °C. Температуру колонки поддерживали 5 мин при 60 °C, затем повышали до 160 °C со скоростью 2 град/мин и далее поддерживали постоянной в течение 100 мин

Анализ свободных кислот является более трудной задачей. Применение капиллярной хроматографии для этой цели оказалось возможным, например, с использованием специфической неподвижной фазы - тримерной кислоты С54 (продукта уплотнения олеиновой кислоты) [145, 146]. Эти работы во многих случаях позволяют существенно облегчить решение большого числа проблем биохимии жирных кислот (рис. 124).

На основе сопоставления жирнокислотного состава внутриклеточных липидов разработаны методы выявления и дифференциации близких форм микроорганизмов, в том числе дрожжей, бактерий, сальмонелл и др. [147-149].

Капиллярную хроматографию довольно широко применяют при изучении летучих компонентов биологических жидкостей и выделений человека и животных [150-156]. Эти исследования показали, с одной стороны, крайнюю сложность состава этих фракций (рис. 125), а с другой стороны, важность их изучения, связанную с выявленной при этом возможностью ранней диагностики ряда заболеваний (рис. 126, см. также рис. 123). В практике биохимических и биомедицинских исследований последних лет капиллярную хроматографию применяли для определения в плазме крови и других биологических средах витаминов, например «-токоферола [156], фармацевтических средств (кофеина, теобромина, барбитуратов) [157], психотропных средств [158] и многих других биологически активных веществ. Одна из полученных в этих работах хроматограмм приведена на рис. 127 [158]. Данные о применении капиллярных колонок при анализе биологически

о а к| 05_*_10о а к| 05_*_1011' 2' 210102020406080406080

о а к

| 05

_*_

10

о а к

| 05

_*_

10

1

1

' 2

' 2

10

10

20

20

406080

406080

Phc. 126. Хроматограммы летучих компонентов мочи здорового человека (а) и пациента, больного диабетом (6). Капиллярная колонка из нержавеющей стали длиной 100 м и диаметром 0,5 мм с Эмульфором ON- 870 (фирма “Супелко", США); скорость газа-носителя азота 5 мл/мин. Применяли “криогенный ввод” пробы, температуру колонки поддерживали 16 мин при 60 °C, затем повышали со скоростью 2 град/мин до 175 “Си далее поддерживали постоянной до окончания регистрации Хроматограммы, Идентифицированы следующие пики:

/ - ацетон; 2 - этанол; 3 - пентанол; 4 - н-пропанол; 5 - ди метил сульфид: 6 - «-бутанол; 7-4-гептанон; 8 - 2-гептанон; 9 - аллил-нло-тиоцианат; 10- пиррол; 11 - бутенил-изо-цианат. Повышение концентрации компонентов 1-3. 7 и /1 является признаком диабета

Рис. 127. Хроматограмма экстракта плазмы крови пациента после приема комбинации психотропных препаратов - антидепрессанта но- мифензина (8-амино-2-метил-4- фени л -1,2,3,4 -тетр а гидро изохи Полина) и его бутильного и пропильного аналогов. Стеклянная капиллярная колонка с полисилоксаном 0V-1OI длиной 50 м и диаметром 0,25 мм, температура при вводе пробы 120°С, затем в течение 2 мин повышается до 200°С и далее повышается до 240°С со скоростью 2 гр а д/мин; скорость га за-носителя (гелия) 2 мл/мин. Анализируемые объекты переводили в производные гептафтормасляной кислоты и регистрировали термоионным детектором. Эффективность колонки 96 400 теоретических тарелок (по н-октакозану):

/ - номифензин; 2 - пропилноми- фензин; 3 - бутил номифензин

активных веществ, при изучение болезней человека и средств их лечения изложены в обзорах [159-162]. Имеется большое число работ, посвященных анализу биологически активных компонентов наркотических средств - табака, гашиша, марихуаны, других галлюциногенных препаратов [163-169].

Помимо основных компонентов, определяющих наркотическое действие, было установлено наличие в этих продуктах ряда побочных весьма токсичных веществ.

Так, в дыме сигарет с табаком и с марихуаной было найдено большое число токсичных ароматических углеводородов, в том числе обладающих явно выраженной канцерогенной активностью (рис. 128) [167].

Изложенные в последнем разделе данные позволяют составить представление о современных аналитических возможностях капиллярной хроматографии. Этот метод позволяет определять состав веществ, способных существовать в газообразном или парообразном состоянии. Непревзойденным является богатство информации, которое можно получить, располагая образцом менее I0"6 г. Эти возможности успешно реализуются как при разделении многокомпонентных смесей, так и при анализе смесей близ-

Рис, 128. Хроматограмма продуктов, входящих в состав табачного дыма сигарет. Стеклянная капиллярная колонка с полисилоксаном OV- 101 длиной 138 м и диаметром 0,35 мм; скорость газа-носителя (гелия) 3 мл/мин; температура в течение 8 мин после ввода пробы 20°С, далее повышение до 200°С со скоростью 2 град/мин. Идентифицировано более 130 компонентов, в том числе следующие токсичные продукты:

/ - изопрен; 2 - бензол; 3 - толуол; 4 - стирол; 5 - пропилбензол; 6 - нафталин; 7 - 2-метилнафталин; 8 - никотин; 9 - диметилфталат; /0 - диэтилфталат

ких по свойствам изомеров или молекул, содержащих атомы разных изотопов одного элемента [170-173].

Полная эффективность капиллярных колонок, выражаемая числом чистых теоретических тарелок, характеризующим их реальную разделяющую способность, в ряде случаев превышает 500 тыс. теоретических тарелок и продолжает возрастать. В настоящее время капиллярная хроматография позволяет различать вещества, отличающиеся на 2-3 единицы молекулярной массы. Таковы случаи разделения изотопов кислорода, азота, неона [170], бензола, тридейтеробензола, тетрадейтеробензола я гексадейтеробензола [171], дейтерометанов, а также метана |2С и метана |3С [172]. Потребности синтетической органической химии и биохимии выдвигают задачу анализа смесей веществ, различающихся наличием одного атома дейтерия или, более того, конфигурацией одного или двух имеющихся в молекуле атомов дейтерия или другого изотопа.

Нет сомнений в том, что в настоящее время большинство моделей аппаратуры для капиллярной хроматографии обладают такой же точностью и надежностью в работе, как и приборы для газо-жидкостной хроматографии на наполненных колонках.

Последние успехи в области методики приготовления капиллярных колонок позволяют предполагать, что в ближайшем будущем подготовка капиллярной колонки будет сведена к столь же знакомым и почти тривиальным операциям, какой стало наполнение обычных газохроматографических колонок. Перечисленные

факторы являются вполне основательными предпосылками для все более широкого проникновения капиллярной хроматографии в лаборатории научно-исследовательских институтов, промышленных предприятий, больниц и других учреждений, что, несомненно, будет способствовать еще более быстрому и значительному прогрессу соответствующих отраслей науки и техники,

ЛИТЕРАТУРА

Henneberg D., Schomburg G. // Gas chromatography, 1962 / Ed. M. van Swaay L: Butterworths, 1962. P. 191.

Dorsey JЛ., Hunt R.H., O’Neal MJ Ji Anal. Chem. 1963. Vol. 35. P, 511.

Watson J. T., Bieinann K. // Ibid. 1964. Vol. 36. P. 1135.

Biemann K. Mass spectrometry. N.Y.: McGraw-Hill, 1962.

Хмельницкий К.И., Бродский Е.С. Хромато-масс-спектрометрия. М.; Наука, 1972.

Karasek F., К lenient R.E. Basic gas chromatography - mass spectrometry. Amsterdam; Elsevier, 1988. Русс, пер.: Введение в хромато-масс-спек- трометрию. М.: Мир, 1993.

Farmer J.B. // Mass spectrometry / Ed. C.A. McDowell. N.Y.: McGraw- Hill, 1972.

Mathieu J., Rani co R. Mecanismes reactionels en chimie organique. P.: Hermann, 1972. Рус. пер.: Курс теоретических основ органической химии. М.; Мир, 1975.

Birch AJ„Grimshaw J., Penfold A.R. et al. //J. Chem. Soc. 1961. P. 2286.

Budzikievicz H., Djerassy C.. Williams D.H. Interpretation of the mass spectra of organic compounds. San Francisco: Holden Day, 1965.

Budzikiewicz H., Djerassi C., Williams D.H. Structure elucidation of natural products by mass spectrometry. Vol. I, 2. San Francisco: Holden Day, 1964.

Budzikiewicz H., Djerassi C., Williams D.H. Mass-spectrometry of organic compounds. San Francisco: Holden Day, 1967.

Mass spectrometry of organic ions I Ed. F.W. McCafferty. N.Y,: Acad, press, 1963.

Bondarovich H.A., Freeman S.K. // Interpretative spectroscopy / Ed. S.K. Freeman. N.Y.: Reinhold, 1965.

McLafferti F .W. Interpretation of mass spectra. New York: Benjamin, 1966.

Index of mass spectral data. Philadelphia: Amer. Soc. for Testing Materials. 1963.

Cornu A., Massoi R. Compilation of mass spectral data. L.: Heyden, 1966. First Suppt. 1967. L.

McFadden W. Techniques of combined gas chromatography / mass spectrometry: Applications in organic analysis. N.Y.: Wiley. 1973.

McFadden W.H. // Advances in chromatography. N.Y.: Dekker, 1967. Vol. 4.

Atlas of mass spectral data / Ed. E. Stenhagen et al. N.Y.: Interscience, 1967. 21. Biemann K. // Pure and AppL Chem. 1964. Vol. 9. P. 95.

Biemann K„ Bommer P.. Desiderio D.M. Ц Tetrahedron Lett. 1964. Vol. 26. P. 1725.

Henneberg D„ Schomburg G. // Ztschr. anal. Chem. 1965. Bd. 211. S. 55.

Brunee C., Delgmann L. // Chem. Ing. Techn. 1966. Bd. 38. S. 730.

Горшков В.И., Танцырев ГД,, Талърозе ВД. // Завод, лаб. 1966. Т. 32, №3. С. 114.

Тальрозе ВД., Танцырев ГД., Горшков В.И. //Жури. аналит. химии. 1965. Т. 20, № 1.С. 103.

Brunee С., Jenckel L„ Kronenberger К. // Ztschr. anal. Chem. 1962. Vol. 189. S. 50, 388.

Руденко Б.А., Савчук С.А., Бродский E.C. И Жури, аналит. химии. 1996. Т. 51, №2. С. 182-201.

Hammar C.G. // Acta pharm. suec. 197 J. Vol. 8. P. 129.

Vecora M., Gaspariej. Detection and identification of organig compounds. N.Y.; L.; Plenum press, 1971.

Liebich H.M. Ц J. Chromatogr. 1975. Vol. 112. P. 551.

Wr/Mon J.T. И Ancillary techniques of gas chromatography / Ed. L.S. Ettre, W.H. McFadden. N.Y.: Wiley, 1969. P. 173-178.

Hites R.A., Biemann K. // Anal. Chem. 1967. Vol. 39. P. 965.

Leemans F.A., McCloskey J.A. H J. Amer. Oil chem. Soc. 1967. Vol. 44. P. 11.

Ryhage R. H Arkiv kemi. 1962. Vol. 20. P. 185.

Teranishi R., Lundin R.E., McFadden W.H., Scherer J R. H The practice of gas chromatography. N.Y.; Interscience, 1967. P. 407.

Lindeman L.P., Annis J.L. Ц Anal. Chem. 1960. Vol. 32. P. 1742.

Kennett B.H. // Ibid. 1967. Vol. 39. P. 1506.

McFadden W.H. Ц Separ. Sci.,1966. Vol. 1. P. 723.

Biemann K., Watson J.T. // Monatsch. Chem. 1965. Bd. 96. P. 305.

Watson J.T., Biemann K. If Anal. Ghent. 1965. Vol. 37. P. 844.

Lipsky S.R., Horvath C.G., McMurray W.J. П Ibid. 1966. Vol. 38. P. 1585.

Krueger P.M., McCloskey J.A. // Ibid. 1969. Vol. 41. P. 1930.

Becker E.W. // Separation of isotopes / H. Ed. London. L.: Newnes, 1961. P. 360.

Saalfeld F.E. Ц Nat. Res. Lab. 1967. P. 6525.

Ryhage R., Wiikstrom S., Waller G.R. H Anal. Chem. 1965. Vol. 37. P. 435.

Ryhage R. // Arkiv kemi. 1967. Vol. 26. P. 305.

Present R.D. Kinetic theory of gases. N.Y.; McGraw Hill, 1958.

Vbllmin J.A., Omura L, Seibl J. et al. // Helv. chim. acta. 1966. Vol. 49. P. 1768.

Ten Noever de Brauw M.C., Brunee C.//Ztschr. anal. Chem. 1967. Bd. 229.

P. 321.

Rees D././/Taianta. 1969. Vol. 16. P. 903.

McLeod W.D.. Jr., Nagy В. Ц Anal. Chem. 1968. Vol. 40. P. 841.

Lawson A.M., Leemans F.A., McCloskey J.А. H 15th Annual Conf, of Mass- Spectrometry and Allied Topics. Denver, 1967. P. 386. (ASTME-14).

IVyrson J.T. Ц Ancillary techniques of gas chromatography / Ed. L.S. Ettre, W.H. McFadden. N.Y.: Wiley, 1969. P. 386.

Blumer М. // Anal. Chem. 1968. Vol. 40. P. 1590.

Grayson M.A., WolfCJ. И Ibid. 1967. Vol. 39. P. 1438.

Lipsky S.R., McMurray WJ., Horvath C.G. H Gas chromatography, 1966 / Ed. A.B. Linlewood. L.: Inst. Petrol, 1967. P. 299.

Lebovits A. // Mod. Plastics. 1966. Vol. 43. P. 139.

Michaels A.S., Vieth №.. Hoffman A.S., Alcalay H.A. И J. AppL Polym. Sci. 1969. Vol. 13. P. 577.

Arnold J.E., Fates H.M. // J. Gas Chromatogr. 1965. Vol. 3. P. 131.

b\. Foltz R.L., Neher M.B., Hinenkamp E.R. И Anal. Chem. 1967. Vol. 39. P. 1338.

Llewellyn P.M., Littlejohn D.P. Pat. 3471692 US. Publ. 1969.

Elbert A.A./I \lsp. Khimii. 1973. Vol. 42. P. 2130.

Updegrove IV .S., Oro J.. Zlatkis A. // J. Gas Chromatogr. 1967. Vol. 5. P. 359.

LeferinkJ.G., LeclercqPA. 111. Chromatogr. 1971. Vol. 91. P. 385.

Bruner F„ Ciccioii P„ Zelli S. // Anal. Chem. 1973. Vol. 45. P. 1002.

Henneberg D„ Henricks H„ Schomburg G. H J. Chromatogr. 1975. Vol. 112. P. 343.

Horning E.C., Horning M.G., Carroll D.L, et al. // Anal. Chem. 1973. Vol. 45. P. 937.

Humppi I., Heinola K. //J. Chromatogr. 1985. Vol. 331. P. 410^418.

Зенкевич И.Г., Иоффе Б. В. Интерпретация масс-спектров органических соединений. Л.: Химия, 1986. 176 с.

Cserhati Т., Valko К. Chromatographic determination of molecular interaction. Boca Raton (Fla.): CRC, press, 1994.

Kaiser R, Computer Chromatography. Heidelberg: Hiithig, 1983.

Вульфсон H.C., Заикин B.C., Микая А.И. Масс-спектрометрия органических соединений. М.: Химия, 1986. 312 с.

Golay MJ.E. И Gas chromatography / Ed. VJ. Coates et al. N.Y.: Acad, press, 1958. P. 1.

Dijkstra G„ De Goey J. И Gas chromatography, 1958 / Ed. D.H. Desty. L.: Butterworths, 1958. P. 56. Русс. пер. в кн.: Газовая хроматография. М.: Изд-во иностр, лит., 1961. С. 61.

Desty D.H., Goldup A., Swanton IV. Г. И Gas chromatography / Ed. N. Brenner et al. N.Y.; L.: Acad, press, 1962. P. 105.

Polgar A. G., Hoist J. J., Groenings S. Ц Anal. Chem. 1962. Vol. 34, P. 122G.

Schneck E. // Brennstoff-Chem. 1963. Bd. 44. S. 354.

Вигдергауз M.C. Газовая хроматография как метод исследования нефти. М.; Наука, 1973. 175 с.

Гольберт КЛ., Вигдергауз Л.С. Курс газовой хроматографии. М.: Химия, 1974. С. 233.

Eure L.S. Open tubular column in gas chromatography. N.Y.: Plenum press, 1965. 58 p.

Schomburg G. 111. Chromatogr. 1960. Vol. 23. № 1. P. 18.

Schomburg G. П Chromatograph ia. 1971. Vol. 4. P. 286.

Riffs J.A., Van den Berg J.H.M., Diependaal J.P. Ц1. Chromatogr. 1974. Vol. 91. P. 606.

SojakL., HrivnakJ., Ostrovsky J., Janak J. //Ibid. P. 615.

Mitra G.D., Mohan G„ Sinha A. // Ibid., 1974. Vol. 91. P. 633.

Shob V., Deur-Siftar D., Cramers C.A. // Ibid. P, 650.

Shob V., Deur-Siftar D. // Ibid. P. 677.

Harris W.E., Habgood H.W. Programmed temperature gas chromatography. N.Y.: Wiley, 1966. Русс, пер.: Газовая хроматография с программированием температуры. М.: Мир, 1968.

Habgood H.W., Harris W.E. // Anal. Chern. 1962. Vol. 34 P. 882.

Eure L.S., Cieplinski /f. IV., Kabot FJ. // J. Gas Chromatogr. 1963. Vol. 1. P. 38.

Krupbik J., Kristin M,, Vaiachovibova M., Janiga S. // J. Chromatogr. 1976. Vol. 126. P. 147.

Cantutti A., Cartotii G.P., Liberti Z„ Torri A. G. H Ibid. 1965. Vol. 17. P. 60.

Wilmhurst J.H. // Ibid. P. 50.

Novotny M„ Lee M.L., Bartie K.D. H J. Chromatogr. Sci. 1974. Vol. 12. P. 606.

Doran T„ McTaggart N.G. // Ibid. P. 715,

Bertsch TV., Anderson E., Holzer G. И Chromatogr. 1976. Vol. 126. P.213.

9%. Bernhard R.A. H Anal. Chern. 1962. Vol. 34. P. 1576.

Calvarano L. // Essenze deriv. agr. 1964. Vol. 34. P. 169.

Calvarano M., Calvarano L. H Ibid. P. 71.

Buttera R.G., McFadden IV. H„ Buigucks N. // J. Food Sci. 1966. Vol. 31. P. 591.

Calvarano M. //Essenze deriv. agr. 1965. Vol. 35. P. 81; 1966. Vol. 36. P. 237; 1967, Vol. 37. P. Tl.

Goretti G.. Laencina SJ., Liberti A. H Riv. ital. essenze profumi. 1967. Vol. 49. P. 145.

Teranishi R., Flath R.A., Mon T.R. // J. Gas Chromatogr. 1966. Vol. 4. P. 77.

McFadden W.H., Teranishi R. // Nature. 1963. Vol. 200. P. 329.

Lundin E., Eisen R.F., Flath R.A. et al. // Anal. Chem. 1966. Vol. 38. P. 291.

Руденко Б.А., Пауков B.H., Кучеров В.Ф. // Ж урн. аналит. химии 1968. Т. 23, С. 1247.

Пауков В.Н., Руденко Б.А., Кучеров В.Ф. // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1968. № I. С. 15.

Пауков В.Н., Иванова К.И., Шаворская Т.А. и др. И IV Междунар, конгресс по эфирным маслам, Тбилиси, 1968. М.: Пищ. пром-сть, 1971. Т. 1.С. 255.

Buttery R.G., McFadden W.H., Teranishi R. et al. H Nature. 1963. Vol. 200. P. 435.

Self R. //Recent advances in food science. L: Butterworths, 1963. Vol. 3. P. 170.

Self R„ Land D, G„ Casey J. C. HL Sci. Food Agr. 1963 Vol. 14. P. 209.

U3. Schultz Т.Н., Mon T.R.,ForreyR.RJ/L Food Sci. 1970. Vol. 35. P. 165.

Федякин А.А., Харченко В.А. // Виноделие и виноградарство СССР. 1970. №7. С. 31.

Bricout J. И Ann. Techn. Agr. 1970. Vol. 19. P. 197.

McLeod W.D.Jr. H J. Agr. Food Chem. 1968. Vol. 16. P. 884.

McLeod W.D.Jr. //Food Sci. 1968. Vol. 33. P. 436.

Van-den-Heuvel ИС/А, Sweeley C.C., Horning E.C. H J. Amer. Chem. Soc. 1960. Vol. 82. P. 3481.

Van-den-Heuvel W.J.A., Horning E.G. H Biochem. and Biophys. Res. Common. 1960. Vol. 3. P. 356.

Biomedical application of gas chromatography / Ed. H.A. Szymanski. N.Y.; Plenum press, 1964.

Gas chromatographic determination of hormonal steroids / Ed. F. Polvan. N.Y.; L.: Acad, press, 1968.

Литвинов Л.Д., Руденко Б.А. Газовая хроматография в биологии и медицине. М.: Медицина, 1971.

Chen С., Lantz C.D. П Biochem. and Biophys. Res. Common. 1960.

Vol.3. P.45I.

Lipski S.R., Landowne R. A. //Anal. Chem. 1961. Vol. 33. P. 810.

Grob К. П Helv. chim. acta. 1965. Vol. 48. P. 1362.

Grob К. H Gas chromatography, 1966/ Ed. A.B. Littlewood. Amsterdam: Elsevier. P. 113.

Novotny M„ TesaHk К. H Chromatographia. 1968. Vol. 1. P. 332.

Grob K„ Grob G. // J. Chromatogr. Sci. 1969. Vol. 7. P. 584.

Grob К. H Helv. chim. acta. 1968. Vol. 51. P. 718.

Novotny M., Zlatkis A. HE Chromatogr. Sci. 1970. Vol. 8. P. 346.

Cramers C.A., Van Kessel M.M. HE Gas Chromatogr. 1968. Vol. 6. P. 57.

Grob K., Grob G. HE Chromatogr. Sci. 1969. Vol. 7. P. 587.

Groenendijk H„ Van Kemenade A.W.C. И Chromatographia. 1969. Vol. 2. P. 107.

TesaHk K., Novotny M. H Gas-Chromatographie, 1968 / Ed. H.-G. Struppe. B.: Akade.-Verl. 1968. S. 575.

SzafranekJ., Pfaffenberger C.D., Horning E.C. It Anal. Lett. 1973. Vol. 6. P. 479.

Mathews R.G., Schwartz R.D., Pfaffenberger C.D. et al. H J- Chromatogr. 1974. Vol. 99. P. 51.

Horning E.C., Horning M.G., SzafranekJ. et al. // Ibid. Vol. 91. P. 367.

Pfaffenberger C.D., Horning E.C. H Ibid. 1975. Vol. 112. P. 581.

Jellum E., Hetland P., Eldjarn L. et al. // Ibid. P. 573.

Eldjarn L., Jellum E., Stokke О. H Ibid. 1974. Vol. 91. P. 353.

Liebich H.M., ALBabbily О. H Ibid. 1975. Vol. 112. P. 539.

Lipsky S.R., Lovelock J.E., Landowne R.A. Ц J. Amer. Chem. Soc. 1959. Vol. 84. P. 1019.

Heintz M., Gregoire J., Lefort D. H Oleagineaux. 1965. Vol. 20. P. 517.

Litchfield C., Isbell A.F., Reiser R. H J. Amer. Oil Chem. Soc. 1962. Vol. 39. P. 330.

Averill W. HL Gas Chromatogr. 1963. Vol. 1. P. 22.

Zoceoliilo L.. Liberti A,, Goretti G.C. H J. Chromatogr. 1969. Vol. 43. P. 407.

Moss C.W„ Lewis J.VЛ Kpp\. Microbiol. 1967. Vol. 15. P. 300.

Moss C.W., Dees S.B, // J. Chromatogr. 1975. Vol. 112. P. 595.

Alexander M, // Food Techno). 1970. Vol. 24. P. 68.

Zlatkis A., Lichtenstein H.A., Tishbee A. // Chromatographia. 1973. Vol. 6. P. 6.

ZlatkisA., Kim K. // J. Chromatogr. 1976. Vol. 126. P. 475.

Z/nrWr A.. Bertsch W., Lichtenstein HA. et al. // Anal. Chem. 1973. Vol. 45. P. 763.

Bertsch IV., Shunbo F„ Chang R.C., Zlatkis A. // Chromatographia. 1974. Vol. 7. P. 128.

ZlatkisA., Andrawes F. // J. Chromatogr. 1975. Vol. 11. P. 533.

Liebich H.M. //Ibid. P. 551.

Stafford M„ Horning M.G., Zlatkis A. // Ibid. 1976. Vol. 126. P. 495.

Lin S.N., Horning Е.СЛ Ibid. 1975. Vol. 112. P. 465.

Stillwell H.N., Stillwell IV.G.//Ibid. 1976. Vol. 126. P. 547.

Bailey E., Fenoughty M„ Richardson L. // Ibid. 1977. Vol. 131. P. 347.

Vollmin J.A. //Chromatographia. 1970. Vol. 3. P. 23 8.

Novotny M., ZlatkisA. // Chromatogr, Rev. 1971, Vol. 14. P. 1.

Jellum E., Storseth P., Alexander J. et al. // J. Chromatogr. 1976. Vol. 126. P. 487.

Bartie K.D., Bergstedt L., Novotny M., Widmark G. // Ibid. 1969. Vol. 45. P. 256.

Hammar C.G., Hohnstedt B„ Lindgren J.E., Tham R. H Adv. Pharmacol. Chemother. 1969. Vol. 7. P. 53.

Horning M.G., Lertratanangkoon K., Nowlin j. et al. // J. Chromatogr. Sci. 1974. Vol. 12. P. 630.

Carugho N., Rossi S. И J. Gas Chromatogr. 1967. Vol. 5. P. 103.

Holzer G., Oro J,, Bertsch IT. // J. Chromatogr. 1976. Vol. 126. P. 771.

Maskarinec M.P., Alexander G., Novotny M. // J. Ibid. P. 559.

Bibliography on the analysis of drug of abuse. И J. Chromatogr. Sci. 1972. Vol. 10. P. 352.

Bruner F„ Cartoni G.P. // Anal. Chem. 1964. Vol. 36. P. 1522.

Bruner F., Cartoni G.P. // J. Chromatogr. 196. Vol. 10. P. 396.

Bruner F., Cartoni G.P., Possanzini M. // Anal. Chem. 1969. Vol. 41. P. 1122.

Schomburg G., Henneberg D. H Chromatographia. 1968. Vol. 1. P. 23.

Глава 9

ЦИРКУЛЯЦИОННАЯ ГАЗОВАЯХРОМАТОГРАФИЯ

ВВЕДЕНИЕ

В связи с углубленными исследованиями в области современной органической химии возникает необходимость в проведении тонких аналитических и препаративных разделений органических соединений, крайне мало различающихся друг от друга по строению и свойствам (например, близких структурных и пространственных изомеров или соединений, содержащих в молекуле разные изотопы одного и того же элемента). Использование для решения этой проблемы классических методов, распространенных в лабораторной практике (дистилляция, экстракция, кристаллизация и т.д.), далеко не всегда приводит к желаемым результатам. Более того, по мере усложнения задачи тонкого препаративного разделения все в большей степени выявляются ограниченные возможности таких методов. Трудности разделения изомеров и изотопно-замещенных соединений усугубляются также тем, что часто вновь синтезируемые органические соединения доступны лишь в очень малых количествах. Вместе с тем весьма существенная разница в химических свойствах и в биологической активности ряда изомерных молекул делает проблему их разделения и раздельного изучения исключительно актуальной.

Современный уровень газохроматографической методики и техники обеспечивает возможность разделения веществ, весьма близких по строению и свойствам. Однако в большинстве случаев хроматографические методы, характеризующиеся высокой эффективностью разделения, имеют крайне низкую производительность, позволяющую работать с пробами массой 10~3—10"6 г. Такие системы - капиллярные колонки, наполненные колонки малого диаметра и большой длины (вплоть до 100 м) и короткие наполненные колонки, включенные в циркуляционную схему, с

успехом используются при анализе многокомпонентных смесей близких структурных и пространственных изомеров, а также изотопов и изотопно-замещенных соединений. Эффективность же препаративного разделения проб смесей веществ, даже в пределах нескольких десятых долей грамма, обычно значительно ниже и редко превышает 3-5 тыс. т.т. По-видимому, в настоящее время в области газовой хроматографии единственным методическим вариантом, обеспечивающим возможность разделения граммовых проб веществ с эффективностью порядка 30-50 тыс. т.т., является препаративная циркуляционная хроматография.

Со времени опубликования первых обзоров по циркуляционной газовой [1] и жидкостной [2] хроматографии в печати появились новые сообщения, развивающие теорию и расширяющие область применения этого метода.

Наиболее широкое применение находит, в основном, проявительная циркуляционная газовая хроматография, которая, однако, не является единственным способом циркуляционного разделения. Варианты циркуляционного метода нашли применение в теплодинамической газовой [3], жидкостной [4-29] и тонкослойной [30] модификациях хроматографии. В работах [31-34] описано препаративное разделение ряда веществ. Для некоторых случаев особо тонких разделений представляется перспективной капиллярная циркуляционная хроматография [35, 36].

ВАРИАНТЫ ЦИРКУЛЯЦИОННОЙГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ. АППАРАТУРА

Высказанная Мартином [37, 38] идея циркуляции разделяемой пробы в замкнутом цикле со слоем сорбента нашла практическое воплощение в двух отличающихся друг от друга аппаратурно-технических решениях. В первом случае циркуляция пробы и подвижной фазы осуществляется в одном цикле за счет действия циркуляционного насоса. Во втором варианте рециркуляция подвижной фазы не происходит, а циркуляция полосы разделяемых соединений осуществляется за счет периодического изменения направления газового потока с помощью специальных крановых или клапанных переключающих устройств.

В 1959-1960 гг. Портер и Джонсон [39—41 ] описали первую циркуляционную установку, представлявшую собой замкнутый контур с двумя хроматографическими колонками, детектором, дозирующим устройством и циркуляционным насосом пери-

стальтического типа. Аналогичную установку, отличающуюся лишь тем, что вместо перистальтического насоса был применен поршневой, использовали в работах [42, 43]. Для установок подобного рода наблюдалось значительное расширение хроматографических пиков вследствие перемешивающего действия насоса и больших мертвых объемов в замкнутой системе, что не позволяло получить высокую эффективность разделения. Кроме того, весьма ограниченным оказался температурный диапазон работы таких циркуляционных насосов.

В период 1960-1970 гг. появились циркуляционные установки периодического действия с переключающими устройствами [44-50], в которых полоса хроматографируемых соединений циркулирует, минуя насос. Это позволило повысить эффективность разделения. Однако переключение кранов приводит к сильным пневматическим возмущениям, связанным с перераспределением давлений в колонке. Это вызывает дополнительное размывание хроматографической полосы, что не позволяет осуществить большое число циклов. При сравнении двух описанных систем в работе [49] было отдано предпочтение циркуляционной схеме с насосом в основном цикле.

Существенное развитие циркуляционной хроматографии было связано с применением переключателей газовых потоков в разнообразных циркуляционных схемах полунепрерывного и непрерывного действия, предназначенных главным образом для препаративной и промышленной хроматографии. Среди полунепрерывных систем можно отметить установки, в которых порции разделяемой смеси вводятся в каждом полуцикле в среднее сечение циркулирующей хроматографической полосы, а отбор разделенных продуктов осуществляется путем отсечения концевых участков хроматографических зон каждого компонента [51, 52]. К системам непрерывного действия можно отнести циркуляционные установки, в которых ввод пробы осуществляется за счет поочередного открытия и закрытия расположенных по окружности тороидальной колонки клапанов при неподвижных колонках [53-55], и установки, в которых сечение питания остается неподвижным за счет вращения или возвратно-поступательного движения колонок [56-64]. Отметим также циркуляционные установки, основанные на использовании фронтального варианта хроматографии [65-67]. Обладая высокой производительностью по количеству разделяемых веществ, описанные устройства, однако, не решали проблему высокоэффективного препаративного разделения близких структурных и пространственных изомеров или изотопно-замещенных соединений, что является наиболее трудными задачами для химика-органика и инженера-технолога.

Рис. 129. Схема циркуляционной установки с необогреваемым переключающим устройством

/ - циркуляционный кран; 2 - дозаторы; 3 - хроматографические колонки: 4 - пневмосопротивления; 5 - детектор; 6 - клапаны-переключатели потока; 7 - вентиль

Недостатком многих циркуляционных схем с переключением газовых потоков является то, что разделяемая смесь проходит через каналы переключающихся кранов или клапанов. Это приводит к необходимости обогрева переключающих устройств, что снижает надежность их работы, уменьшает температурный диапазон

применения метода, увеличивает мертвые газовые объемы и не исключает возможности деструкции термолабильных соединений при их соприкосновении с нагретыми металлическими поверхностями. В таких схемах затруднительно применять элементы аппаратуры, выполненные из стекла.

Для преодоления перечисленных недостатков были предложены циркуляционные схемы, в которых кран-переключатель вынесен за пределы термостата. Температурные ограничения в этом случае связаны лишь с термостойкостью неподвижной жидкой фазы.

Однако вынос переключающего крана за пределы циркуляционного контура привел к значительным непроизводительным потерям газа-носителя и разделяемых веществ, удаляемых в атмосферу через дроссели, соединявшие входы и выходы колонок [68-70], или через вспомогательные колонки с высоким сопротивлением газовому потоку [71,72]. Дальнейший прогресс в циркуляционной газовой хроматографии был достигнут благодаря использованию обратных клапанов либо запорных клапанов-прерывателей газового потока принудительного действия [73-75], заменивших экономически невыгодные дроссели. Одна из возможных модификаций циркуляционной схемы с вынесенным из обогреваемой зоны краном-переключателем представлена на рис. 129.

Разработка циркуляционной техники разделения нашла отражение в ряде российских (ЛХП-4, ЛХП-7И, ЛХМ-9) и зарубежных приборов. Разработанные ОКБ ИОХ АН СССР универсаль-

ные циркуляционные блоки с ручным управлением, а также с программированием и автоматическим переключением циркуляционного крана ПЦУ-1, ПЦУ-2, приборы для хроматографии в парах воды и переключения колонок П-I, П-2 позволили легко коммутировать различные варианты циркуляционной схемы с аналитическими и препаративными газовыми хроматографами, например ЛХМ-8МД, ЛХП-5И и др. Был разработан также специализированный капиллярный циркуляционный газовый хроматограф Биохром-27 (СКБ ИОХ АН СССР).

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИПРОЦЕССА ЦИРКУЛЯЦИОННОЙГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ

ЗАВИСИМОСТЬ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗДЕЛЕНИЯОТ ЧИСЛА ПРОВЕДЕННЫХ ЦИКЛОВ ХРОМАТОГРАФИИ

Ранние теоретические исследования зависимости эффективности разделения от числа проведенных циклов в циркуляционной схеме предполагали линейный рост числа теоретических тарелок при увеличении числа колонок, пройденных хроматографической зоной [47, 76, 77]. Однако эксперименты показали, что рост эффективности разделения обычно замедляется при увеличении числа пройденных колонок. Подобное снижение эффективности отмечено в работе [49]. Сакодынский с сотр. [32,78,79] наблюдали заметное уменьшение прироста эффективности с увеличением числа циклов в циркуляционной препаративной установке. С целью более полного использования возможностей циркуляционной схемы проводили отбор оконечных зон пиков, не дожидаясь их полного разделения.

Аналогичное замедление роста эффективности разделения с каждым новым циклом показано в работах [80,81]. Наблюдаемый эффект объясняли влиянием нестационарностей течения газового потока, возникающих при переключении циркуляционного крана. Часть пробы, находящейся в газовой фазе, из-за резкого перераспределения давления в колонках при переключении крана быстро сжимается и продвигается вперед относительно той части пробы, которая находится в сорбированном состоянии в неподвижной фазе; при конечной скорости массопередачи это приводит к дополнительному размыванию хроматографической полосы.

В описанных выше условиях перспективным представлялось использование длинных колонок (Юми более) [33], позволявших

сократить число переключений циркуляционного крана и тем самым замедлить размывание хроматографических полос разделяемых соединений на всю длину колонки. Аналогичные соображения, по-видимому, побудили авторов работ [82-85] при разделении изотопно-замещенных соединений воспользоваться колонками длиной 8-15 м.

Выявившиеся на этом этапе развития циркуляционной хроматографии ограничения в достигаемой с ее помощью эффективности разделения породили у исследователей некоторый скепсис [86], который удалось преодолеть лишь после глубокого анализа эффектов импульсного сокращения и расширения хроматографических зон.

ЭФФЕКТ ИМПУЛЬСНОГО СОКРАЩЕНИЯХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЙ ЗОНЫ

По аналогии с импульсно-термическим обогащением [87] хроматографической полосы получил свое название эффект импульсного сокращения [88-90] хроматографической зоны. Сущность этого эффекта состоит в следующем. Если в первой по ходу движения газа-носителя хроматографической колонке циркуляционной схемы линейная скорость подвижной фазы больше, чем во второй колонке (вследствие наличия делителя потока), то в первой колонке задняя граница зоны за время t пройдет расстояние

/|°=/0-и1/(1+^'), (9-1)

а передняя граница зоны во второй колонке за то же время t пройдет расстояние

7? = г0 «2/(1 + V), (9-2) где «| и и2 -линейные скорости газа-носителя в первой и второй колонках, к' - коэффициент извлечения. Вследствие отбора части газа-носителя между колонками их>иг, т.е. Zf >^. Поэтому переход полосы из одной колонки в другую сопровождается сокращением хроматографической зоны в соотношении

6 = А. = ^1 = 1-а/Ю0,

Z| W| (9-3)

где ос — выраженная в процентах массовая доля газа-носителя, удаляемого между колонками 1 и 2. Таким образом, при переключении циркуляционного крана будет происходить сокращение хроматографической зоны.

Для колонок, состоящих из большого числа одинаковых секций, ширина пика о„„ расстояние между максимумами пиков &.пт и степень разделения Rm изменяются с числом пройденных колонок m следующим образом:

Аит=Дп1т;(9_5)

Rm = R^,(9-6)

где рь Дп, и R, - параметры хроматографической полосы после прохождения ею первой колонки. Формулы (9-4)-(9-6) описывают линейный рост эффективности разделения с числом пройденных колонок.

В импульсном режиме ширина зоны в начале второй колонки равна ц = Ьи,. Вследствие размывания зоны при прохождении второй колонки ширина будет равна

иг = х/й2 +1 ■ U] ■(9—7)

После перехода зоны в третью колонку ширина полосы сократится до

v2° = VF+^-p„(9-8)

а затем увеличится до следующего значения:

иэ = V^4 + b" +1 • у,.(9-9)

Вследствие чередования процессов сокращения и размывания полосы ширина хроматографической зоны после прохождения т колонок будет равна:

- р, =, —~ - V1(9-1 о)

\ i-zr

Таким образом, расширение зоны хроматографируемого соединения в циркуляционной системе с отбором части газа между колонками протекает менее интенсивно, чем это предусмотрено уравнением (9-1). Рост ширины зоны ограничен пределом

достигаемым при т-^°»

Аналогичные рассуждения можно применить при рассмотрении изменения расстояния между максимумами полос двух хроматографируемых соединений. После прохождения зоной m колонок расстояние между максимумами полос будет составлять:

1 -А™

Дп,„ = —— • Ди..(9-12)

Из этой формулы следует, что Дпт в циркуляционной схеме с отбором растет менее интенсивно, чем это следовало ожидать из (9-2). Значение Длт при т —> -» будет равно

Дл„=—Ц--Ди,,(9-13)

1 -Ь

то есть расстояние между максимумами полос в циркуляционной схеме с отбором ограничено некоторым предельным значением.

Используя (9—10) и (9-12), можно получить

U-b 1 + //" 1U-b 1 + //" 1(9-14)(9-14)

U-b 1 + //" 1

U-b 1 + //" 1

(9-14)

(9-14)

Из (9-14) следует, что рост степени разделения также ограничен предельным значением:

(9-15) N 1-Ь

Экспериментальную проверку теоретических представлений об импульсном режиме хроматографии проводили [89] на примере модельной смеси бензола и циклогексана. На рис. 130 приведены полученные зависимости.

Из полученных данных следует, что при отборе части газового потока хроматографическая зона приходит с течением времени к некоторому равновесному состоянию, при котором практически прекращается размытие зоны и одновременно перестают изменяться значения о„„ Дит и /?„,. Несоответствие экспериментальных кривых кривым, отвечающим формулам теории (9—4), (9-5) и (9-6), объясняется проявлением эффекта импульсного расширения зоны.

ЭФФЕКТ ИМПУЛЬСНОГО РАСШИРЕНИЯХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЙ ЗОНЫ

По своему действию эффект импульсного расширения хроматографической зоны [90, 91] противоположен эффекту, рассмотренному выше, и обусловлен наличием градиента линейной скорости газа-носителя в колонках газо-хроматографической циркуляционной схемы.

Рис. 130. Графики зависимости ширины пика на полувысоте ут; 0,5 (а), расстояния между максимумами пиков Ди№ (б) и степени разделения Rm (в) от числа полуциклов т. Обозначения кривых соответствуют номеру уравнения, точки - эксперимент. Условия; две колонки размером 4 м х 4 мм с 5% Апиезона L, входное давление рта = 1 МПа, выходное Рвых = 0,10 МПа, отбор газа-носителя между колонками 12-13%

К

&

CD

<0

II

II

T 0»

to

*3

tD

IO

e to 75 H О

О

Е ж о

о о

o^

S: 1^1

00

MO

Os

я н

о 9 о S

to n a гь

5 Е о £

to О

to S CD

где м,д - локальная линейная скорость газа-носителя на выходе первой по ходу газа колонки. Отсюда для Ьо получаем выражение:

(9-23)(9-23)

(9-23)

(9-23)

Из этого уравнения следует, что снижение С (при постоянном перепаде давлений) приводит к уменьшению влияния импульсного эффекта расширения хроматографической зоны. Этот вывод получил экспериментальное подтверждение в работах [92-95].

Изучение динамики изменения хроматографических параметров проводили на циркуляционной установке с восьмиходовым краном, включенным в схему с двумя колонками. Объектами исследования служили те же продукты, как и в первом случае. Из рис. 131 видно, что при экспериментальной проверке изложенные выше теоретические представления об импульсном эффекте расширения хроматографической зоны получили качественное и количественное подтверждение. Без отсечения компонентов удалось провести только 6 полуциклов.

На рис. 132 представлены экспериментальные зависимости числа теоретических тарелок п от числа полуциклов т в условиях различного соотношения входного и выходного давлений при отсутствии отбора газа между колонками (кривые / и 2).

БЕЗИМПУЛЬСНАЯ ЦИРКУЛЯЦИОННАЯГАЗОВАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

Полное устранение эффекта импульсного расширения хроматографической зоны может быть достигнуто при его компенсации за счет действия эффекта импульсного сжатия. При этом будет достигнут оптимальный режим “безимпульсной хроматографии”* [90, 91, 96].

Оптимальное значение необходимого для создания такого режима фактора отбора газа между колонками циркуляционной

1 Термин “безимпульсная хроматография” выбран, возможно, не совсем удачно, так как при переходе газа-носителя из одной колонки в другую его скорость импульсно меняется в момент переключения крана, т. е. импульсы остаются. Термин “безимпульсная хроматография" отражает тот факт, что исчезают импульсные эффекты, которые изменяли основные закономерности, присущие хроматографическому процессу при циркуляции.

Рис. 131. Графики зависимости ширины пика на пол у высоте vm; 0.5 (я) и расстояния между максимумами пиков Дит (б) от числа полуциклов т; 7 - экспериментальные точки; 2 и 3 - теоретические кривые, отвечающие уравнениям (9-10), (9-11) и (9-4), (9-5), соответственно. Условия: две колонки размером 3 м х 4 мм с 20% Апиезона L, рм = 0,57 МПа, С = 1,24 без отбора газа

Рис. 132. Графики зависимости ширины пика на полу высоте и,п; 0,5 (я), расстояния между максимумами пиков Дпт (б) и степени разделения R„, (в) от числа полуциклов т; 1,2 и 3 - теоретические кривые соответствующие уравнениям (9-4), (9-5) и (9-6); кружками показаны экспериментальные точки. Условия: параметры колонок те же, что на рис. 130; рек = 0,82 МПа, С = 1,29, Ьо = 1,01 при аопт = 12%

в

48 m

схемы а можно приближенно оценить на основе уравнения материального баланса;

S^jd; — S^tUidi + сси(^),(9—24)

где SM S2 - площади поперечного сечения колонок, занимаемые газом в первой и второй колонках циркуляционной системы, dh d2 - плотности газа в выбранных сечениях. При равенстве сечений колонок в точках, расположенных в середине длины колонок, будет соблюдаться соотношение:

a = \-u2d2!uxdv(9-25)

Для безимпульсного режима хроматографии их = и^ и поэтому

®<и!т d2 /dj = 1 — Pi /Pt,(9—26)

т.к. плотность газа пропорциональна давлениям Pj и Р2 в средних сечениях первой и второй колонок.

При малых значениях а и С давление в колонках падает от Рта к ^ных почти по линейному закону. В этих условиях с некоторым приближением можно записать, приняв за единицу суммарную длину обеих колонок циркуляционной схемы:

(9-27)(9-28)(9-29)(9-27)(9-28)(9-29)р} = p._^L^2 = (3/4С + 1/4)ро

(9-27)

(9-28)

(9-29)

(9-27)

(9-28)

(9-29)

Л =/>-—^"^^аМС + ЗМ)/»4»

Отсюда получим:

о,тт ЗС + 1 ‘

Таким образом, повышение давлений на входе и выходе циркуляционной схемы при заданном перепаде давления позволяет достичь значений С, близких к единице, что приводит к соответствующему снижению фактора Ьй. Однако полное погашение эффекта импульсного расширения хроматографической зоны достигается в результате импульсного сокращения зоны, проявляющегося при отборе части газового потока после первой колонки циркуляционной схемы.

Проверку изложенных рассуждений проводили [91] на циркуляционной системе с регулируемым отбором газа. Снятая в этих условиях зависимость п от т имела линейный характер (прямая линия на рис. 132 в достаточно широком интервале значений т (до 19 полуциклов).

Рис. 133. Графики зависимости п; числа теоретических тарелок п от 4q числа полуциклов т; I - кривая, полученная при С = 1,24 (без отбора) в условиях как на рис. 9-2; 2 - кривая, полученная при С = 1,06 30 (без отбора) в условиях: рК1 = 0,99 МПа; 3 - прямая, полученная в безимпульсном режиме хроматографии при С = 1,24 .. (л = 9,1%) при рдх = 0,57 МПа 20

На рис. 133 представлены ю зависимости ит, Апт и Rm от т. полученные при Ь9 = 1,01, «опт = = 12%. Экспериментальные точки оказались близки к теоретическим кривым / и 3 для от и /?т, построенным по уравнениям (9-4) и (9-7), и к теоретической прямой 2 для Апт, построенной по уравнению (9-5). Снижение значения ач|,, является весьма существенным в препаративной хроматографии. Согласно соотношению (9-13), при С= 1,06 значение аопт снизилось бы до 3%.

На препаративных колонках [97] размером 3 м х 10 мм с 20% Апиезона L при рвх = 0,63 МПа и С = 1,068 (аопт = 2,81±0,15%) получили линейную зависимость между числом теоретических тарелок п (по гексану) и числом пройденных хроматографической зоной колонок т. В этих условиях препаративную циркуляционную установку можно рассматривать, как систему из т последовательно соединенных колонок с одинаковыми параметрами.

Ф(%) =Ф(%) =/ ОС। _ м _ ^оптI 100,/ ОС। _ м _ ^оптI 100,■100.■100.(9-30)(9-30)Потери ф вещества в процессе циркуляции с отбором части газового потока между колонками составляют [90]:

Ф(%) =

Ф(%) =

/ ОС

। _ м _ ^опт

I 100,

/ ОС

। _ м _ ^опт

I 100,

■100.

■100.

(9-30)

(9-30)

Эти потери могут быть почти полностью устранены либо за счет сбора и повторного разделения удаляемого материала, либо за счет использования в качестве газа-носителя водорода или смеси азота с водородом в сочетании с палладиевым сепаратором [98,99]. Вариант сокращения хроматографической зоны, осуществляемый с помощью пневматических импульсов, которые возникают при переключении циркуляционного кра-

на, в известной мере можно заменить применением термических импульсов [100, 101].

На основе развитых выше представлений об эффектах импульсного сокращения и расширения хроматографических зон, подтвержденных экспериментально, становится возможным оценить место и значение метода циркуляционной газовой хроматографии среди иных, близких по эффективности, вариантов хроматографического метода.

СОПОСТАВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО РАЗДЕЛЕНИЯВ НАПОЛНЕННЫХ КОЛОНКАХ ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ СХЕМЫИ В ОБЫЧНЫХ КОЛОНКАХ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ДЛИНЫ

При сопоставлении параметров тонкого разделения (коэффициент разделения а- 1 < 1) в циркуляционной хроматографии и в наполненных колонках большой длины [102-106] было показано [107-109], что при одинаковой степени разделения время разделения бинарной смеси в первом случае оказывается примерно в два-три раза меньше. Это преимущество циркуляционной хроматографии возрастает при приближении а к единице. По сравнению с наполненными колонками большой длины циркуляционная хроматография при этом требует в 3,5—4 раза меньшего давления на входе в колонку, длина которой может уменьшиться в 25-30 раз. В табл. 4 [109] сопоставлены некоторые параметры процессов тонкого разделения в насадочных колонках большой длины, колонках циркуляционной установки и на капиллярной колонке с толстым слоем сорбента на стенках [110, 111]. Из приведенных данных следует, что в двух последних системах скорости разделения близки между собой. Это является следствием относительно высокой проницаемости гипотетической колонки, эквивалентной по разделительной способности и времени анализа колонкам циркуляционной системы. Наблюдающееся в циркуляционной хроматографии некоторое увеличение ВЭТТ в области высоких скоростей выражено значительно слабее по сравнению с колонками большой длины. За счет этих факторов удается достигать весьма высоких значений эффективности разделения в капиллярной циркуляционной хроматографии на колонках длиной по 7,5 м [35, 36].

Таким образом, рассматриваемый метод имеет весьма существенные преимущества по сравнению с процессом разделения в колонках большой длины - с точки зрения суммарной эффективности, времени разделения, величины требуемого давления, количества применяемого сорбента и необходимой длины колонок.

Таблица 4

Сопоставление параметров тонкого разделения бензола и гексадейтеробензола при *'= 2 в насадочной колонке большой длины (н), колонках циркуляционной установки (нц) и капиллярной колонке с толстым слоем сорбента на стенках (к)

Параметр

Азот

Гелий

Н

нц

К

И

НЦ

К

Коэффициент диффузии в газовой фазе при атмосферном давлении, ЮО?0. см2/сек

1.06

1,06

1,06

4,14

4,14

4,14

Вязкость газа, ) О10, кг сек/см-

2,19

2,19

2,19

2,40

2,40

2,40

Диаметр частиц носителя, dp, см

0,02

0,02

0.02

0,02

0,02

0,02

Коэффициент диффузии в газовой фазе, 10^0^, см2/сек

1.40

2,60

2,10

2,70

5,13

4,20

Коэффициент проницаемости, 10? К0, см2

3,95

14,04

16,20

3,95

14,58

16,20

Высота, эквивалентная теоретической тарелке, ВЭТТ, см

0, Н8

0,118

0,118

0,118

0,118

0, Н8

Длина колонки,/, см

10620

425

10620

10620

425

10620

Средняя линейная скорость га за-носителя, и. с м/сек см/с

1,40

2,60

3.55

2,70

5.13

7.08

Число теоретических тарелок, я

90000

3600

90000

90000

3600

90000

Число полуциклов, m

—

25

-

-

25

-

Время разделения, ts, ч

6,33

3,41

2,42

3,28

1,72

1,25

Длительность полуцикла.

Д< мин

—

8,19

-

-

4,13

—

Входное давление, рвх, МПа

1,12

0,47

0,70

2,34

0,97

1,49

Фактор Гийошона,/,

0,81

1,00

0,84

0,78

1,00

0,80

ВЭТТ/й.сек"1

0,084

0,045

0,032

0,043

0,023

0,016

'кА 0-1 к

2.62

1.41

1,00

2.62

1,38

1,00

Примечании: коэффициент разделения

компонентов смеси равен

1,02, тем-

пература разделения 338К, диаметр капиллярной колонки 0.02Э см, доля сечения.

занятая газом, в капиллярной колонке о = 0,4, достигнутая степень разделения Я = 1.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОЛОНОКВ ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ

Выражение для В ЭТТ препаративной газохроматографиче' ской колонки записывают в следующей форме [112]:

hetp = a+^-2lиhetp = a+^-2lии +и +

hetp = a+^-2l

и

hetp = a+^-2l

и

и +

и +

(9-31)(9-31)Ik dA _ С/ _+ —г —и + ——и.3(1+ ti2 Dv ADg

(9-31)

(9-31)

где А- постоянная в уравнении Ван-Деемтера, у - коэффициент извилистости, d[ - толщина пленки жидкости, D;, Dg - коэффициенты диффузии в жидкой и газовой фазах соответственно, Со - постоянная величина, d - диаметр колонки, к - отношение распределения.

Для препаративных колонок, содержащих 1-5% жидкой фазы и менее, по аналогии с аналитическими колонками можно записать [113]:

ПЕТР=■ _ 8+

и

При тщательном заполнении препаративные колонки относительно небольшого диаметра по эффективности сопоставимы с аналитическими. Полагая

(9-33)

на основе (9-15) можно получить:

ПЕТР =+ 0.99 + 1,8^ + 1,7W

и(1 + £)2 Dg

Полученное уравнение близко по форме к уравнению для аналитических колонок [109]. В работе [114] показано, что

= и, J.= и, J.(kf0.9 +Ш +1.71(C)2(kf0.9 +Ш +1.71(C)2(9-35)(9-35)

= и, J.

= и, J.

(kf

0.9 +Ш +1.71(C)2

(kf

0.9 +Ш +1.71(C)2

(9-35)

(9-35)

где индекс “н” относится к наполненной колонке. Подставляя вы ражение (9-16) в уравнение [115]

W = 51O"2W = 51O"2d(g-l)Rd(g-l)Rк„и,8 i + kк„и,8 i + k(9-36)(9-36)

W = 51O"2

W = 51O"2

d(g-l)R

d(g-l)R

к

„и,

8 i + k

к

„и,

8 i + k

(9-36)

(9-36)

где W- производительность препаративной хроматографической установки; Cs - равновесная концентрация первого и второго компонентов в газовой фазе; R - достигаемое разделение; и х - часть сечения колонки, занятая газом-носителем, можно найти

W 1,5•— /С

[/(От =[/(От =р I R Aп

[/(От =

[/(От =

(14-Л)2[0,9 +L8Jt + l,71(Jt)2] *

Для циркуляционной системы (индекс PC) можно получить:

xp^VAkVJWA (9.38)

V Т|

где КрЕ — коэффициент проницаемости гипотетической колонки, эквивалентной используемой в циркуляционной системе.

С учетом потерь вещества в процессе циркуляции (II) отношение производительностей циркуляционной системы и насадочной колонки большой длины равно

1 lcPr-i i Г+Г

где J'P- фактор Гийошона [116].

Приведенные рассуждения показывают, что при одинаковой общей эффективности и сходных параметрах применяемых колонок в случае разделения очень близких по свойствам веществ

(а = 1,02) производительность колонок большой длины оказывается в 2-2,5 раза больше, чем производительность циркуляционной системы [117-119]. Однако производительность, отнесенная к единице объема сорбента [47, 120], при циркуляционном разделении примерно в пять раз выше. Последнее обстоятельство имеет большое значение, так как уменьшение объема сорбента, помимо его экономии, связано с сокращением объема аппаратуры, затрат труда и времени на приготовление колонок.

Эффективность и разделительная способность колонок длиной 2-4 м и диаметром 10 мм в препаративном разделении смесей с 1,02 < а < 1,07 методом циркуляционной газовой хроматографии изучалась в работе [121]. Было показано, что в условиях, когда отбор газа между колонками был ничтожно мал (около 0,1 % от основного потока), повышение давления на выходе колонок приводит к возрастанию общей эффективности пик увеличению числа возможных полуциклов т. Одновременно растут затраты времени на циркуляцию, поэтому производительность системы при постоянном объеме вводимой пробы Л/о = const снижается. Увеличение Мо приводит к уменьшению числа полуциклов и числа теоретических тарелок.

В режиме безимпульсной циркуляционной хроматографии отбор газа приводит к дополнительному снижению производительности. При этом, однако, достигается значительное увеличение общей эффективности разделения и рост возможного числа циклов. При больших объемах вводимой пробы и Снц =1,1 эффект импульсного расширения зоны имеет второстепенное значение, а решающий вклад в понижение общей эффективности вносит влияние объема вводимой пробы.

Полученные данные показывают целесообразность использования метода безимпульсной циркуляционной хроматографии для разделения очень близких по свойствам соединений.

Проигрыша в производительности циркуляционной установки по сравнению с колонками большой длины можно избежать за счет периодического ввода исходной смеси и отбора разделенных компонентов в циркуляционных системах полунепрерывного действия. Такой способ был использован в работах [4, 122- 124] при разделении щелочных металлов и некоторых изотопов с помощью ионообменной хроматографии.

Применительно к газовой хроматографии был предложен [51] способ полунепрерывного разделения смесей, в котором в процессе циркуляции пробы при переходе ее из одной колонки в другую каждый раз осуществляется ввод свежей порции разделяемой смеси в сечение питания, расположенное между максимумами пиков разделяемых компонентов. Далее, начиная с того мо-

мента, когда суммарная ширина зоны становится равной длине хроматографической колонки, отсекают концы хроматографической полосы, осуществляя сбор чистых компонентов. При этом суммарная кривая распределения потоков компонентов при осуществлении периодической подпитки имеет выраженный максимум, положение которого совпадает с сечением питания (вследствие наложения большого числа гауссовых кривых).

Циркуляционная хроматография с отсечением обогащенных концов хроматографической полосы характеризуется высокой степенью чистоты получаемых продуктов. Согласно [125], для обычного способа отбора разделенных зон хроматографируемых соединений эта величина определяется из уравнения:

Хр = 1 -1 / 2(2кКУи 2 rR''. (9-40)

Значению R = 1 из уравнения (9-41) отвечает величина Ар 100 = = 97,3%. Эта же величина для случая циркуляционной хроматографии с отсечением обогащенных концов хроматографической полосы определяется выражением [97, 126]:

X' =^8А‘<^l) /(1 + ^^^ (Mi)

При/?'- 1 получается значение Х'-100 = 99,99998%.

При равенстве Хр = X' = 99,97% достигаются значения R = = 2,8 и R' = 0,65 при использовании в циркуляционной схеме колонки примерно в 10 раз меньшей длины [97].

Таким образом, краткое теоретическое рассмотрение применения циркуляционного метода с периодической подпиткой и отсечением концов хроматографической полосы, помимо повышения производительности, показывает потенциальную возможность применения такого варианта циркуляционной хроматографии для получения веществ высокой степени чистоты (более 99,97%).

РАЗДЕЛЕНИЕИЗОТОПНО-ЗАМЕЩЕННЫХ СОЕДИНЕНИЙ

В газовой хроматографии разделение изотопно-замещенных соединений является одной из наиболее сложных задач, требующих для своего осуществления применения высокоэффективных колонок. К сожалению, увеличение коэффициента разделения за счет использования селективных неподвижных фаз оказывается в этом случае почти невозможным вследствие крайне малых изо-

топных эффектов в процессе растворения [127-129]. Иначе говоря, изменение природы адсорбента или жидкой фазы и связанное с этим изменение адсорбционной или растворяющей способности не может обеспечить успеха при разделении соединений, содержащих разные изотопы одного и того же элемента [130]. Поэтому при поиске путей решения этой проблемы на первый план выдвигаются требования повышения эффективности осуществляемых хроматографических разделений.

Как показано в предшествующих главах, в газо-жидкостной и газо-адсорбционной капиллярной хроматографии повысить эффективность колонок удается либо путем различного рода модификаций внутренней поверхности стенок капилляров, либо за счет нанесения на его стенки сорбционных слоев из различных материалов [130].

Не прибегая к использованию капиллярных колонок и наполненных колонок малого диаметра и большой длины, изотопнозамещенные соединения удается разделять на коротких наполненных колонках, включенных в циркуляционную схему. На ранних этапах развития циркуляционной хроматографии применялись колонки довольно большой длины. Это позволяло замедлить размывание хроматографической полосы на всю длину колонки при переключении циркуляционного крана. Первые изотопные разделения [82] метана, н-бутана, циклобутана и их дейтерированных и тритиевых аналогов были выполнены на колонках длиной 15 м при атмосферном давлении на выходе.

На колонках длиной 8 м, содержащих раствор нитрата серебра в этиленгликоле в качестве неподвижной фазы, было проведено [83, 84] газо-хроматографическое разделение изотопно-замещенных этиленов С2Н4, С2НЭП и C2H2D2. Авторы отмечают ускорение анализа при использовании циркуляционной техники по сравнению с одной колонкой большой длины, что особенно важно в газовой хроматографии изотопных молекул, содержащих радиоактивные изотопы с коротким периодом полураспада.

В работе [85] была сделана попытка разделения изотопов углерода (|2С и |3С) и серы (32S и 34S) в виде их летучих фторидов. Разделение проводили на циркуляционной схеме Максвелла [44] с использованием двух колонок длиной 8 м с Порапаком Q. Было достигнуто заметное обогащение выделенных фракций отдельными изотопами. Анализ соединений, меченных радиоактивными изотопами (l4C, 35S), несколько позже провели авторы работы [131] на автоматическом циркуляционном газовом радиохроматографе.

Разделение изотопов углерода ’-С и °C в форме оксида на молекулярных ситах, а также изотопов неона 20Ne и --Ne было проведено в работе [132]; при этом также было достигнуто значи-

Таблица 5

Показатели процесса препаративного газокроматографического разделения некоторых изотопно-замещенных органических соединений методом циркуляционной газовой хроматографии

Разделяемая смесь

Неподвижная фаза

И, мл

И’, %

Lt м

п 10"J

ВЭТТ мм

R

СН3СОСН3- CDjCOCDj

LAC-3R-728

0.90

39,9

108

1,012

35,5

3,0

0,56

c6hI2^dI2

LAC-3R-728

0,85

50,4

84

1,014

44,5

1,9

0,74

С6Н3СН3-

C6D3CD3

DC-550

0,50

44,0

84

1,013

44,0

1,9

0,68

СбНб-СеОб

DC-55O

0.55

40,3

92

1,011

48,0

1.9

0,60

С6Н,С3Н,-

С6П3С,Н5

DC-550

0.50

28,7

128

1,006

74.5

1,7

0,41

Обозначения; И- величина введенной пробы; и>- выход разделенных продуктов; L - полная длина колонок, пройденная хроматографической зоной.

тельное обогащение изотопов. На двух колонках длиной по 0,5 м с молекулярными ситами проведено [77] разделение орто- и пара-изомеров Н2 и D2. Коэффициенты разделения составили 1,032 для орто- и лара-водорода, 1,024 для дейтерида протия и дейтерия и 1,019 для орто- и ияра-дейтерия.

Выявление влияния эффектов импульсного расширения и сокращения хроматографических зон и связанное с этим повышение эффективности процесса позволило выполнить разделение бензола и гексадейтеробензола, а также бензола и тридейтеробензола [133] на колонках размером 4 м х 23 мм и 4 м х 4 мм со скваланом в качестве стационарной фазы.

В последнем случае разделяемые соединения проходили общую длину колонки, эквивалентную 100 м, при эффективности разделения примерно 120 тыс. т.т. Столь высокая общая эффективность разделения стала возможной благодаря поддержанию режима безимпульсной циркуляционной хроматографии, характеризующегося линейной зависимостью числа теоретических тарелок от числа пройденных колонок. В работах [69, 134] описано аналитическое разделение кислородсодержащих изотопно-замещенных органических соединений: C2H5OH-C2D5OD, СН3СОСН3- CD3COCD3, озо-С3Н7ОН - uao-C3D7OD в режиме безимпульсной циркуляционной хроматографии.

Возможности препаративной циркуляционной газовой хроматографии при разделении изотопно-замещенных органических соединений исследовались в лаборатории автора настоящей книги в работах [135-137]. Основные показатели процесса препаративного газохроматографического разделения изученных смесей

Время, ч 201714 И 852

Рис. 134. Фрагменты хроматограммы препаративного циркуляционного разделения смеси октадейтеротолуола (У) и толуола (2) на колонках размером 4 м х 23 мм, заполненных сорбентом с полисилоксаном DC- 550 (15%). Условия: температура колонок 105°С, р„х = 0,64 МПа, С = 1,04, расход газа-носителя (азота) 400 мл/мин, доля отбираемого газа 2%, исходная загрузка 0,5 мл; выход разделенных продуктов 44%

методом циркуляционной газовой хроматографии суммированы в табл. 5 [138]. Как следует из этих данных, эффективность препаративного разделения достигала нескольких десятков тысяч т. т., что в 10-20 раз выше эффективности наполненных колонок большой длины (например, размером 20 м х 9 мм как в [113, с. 233] и сопоставимо с возможностями капиллярной хроматографии. Чистота выделенных фракций, согласно данным масс-спектрометрического анализа была не ниже 95-97%. На рис. 134 представлены фрагменты хроматограммы препаративного разделения толуола и пердейтеротолуола.

Как уже отмечалось выше, производительность циркуляционных газохроматографических систем при их использовании для разделения близких по свойствам соединений, требующих высокой эффективности процесса, во многом зависит от величины отбора элюата, выполняемого для поддержания без- импульсного режима хроматографии. При проведении препаративных разделений, перечисленных в табл. 5, эта величина составляла 2,0-2,4% от общего объема газа-носителя при соотношении входного и выходного давлений С = 1,04—1,05 и при давлении на входе в колонку, не превышавшем 0,64 МПа. Снижение величины С путем повышения входного и выходного давлений (при сохранении заданного перепада давлений) может позволить уменьшить количество отбираемого между колонками газа и тем самым увеличить производительность циркуляционной установки. Так, увеличение давления на входе в систему, например, до 1,33 МПа (при сохранении прежнего расхода газа-носителя на выходе из системы) приведет к сни-

жению значения С до 1,023. Это, в свою очередь, позволит уменьшить отбор газа между колонками и сократить потери при разделении указанных выше смесей на 13-17%.

РАЗДЕЛЕНИЕ БЛИЗКИХ ПО СТРОЕНИЮИ СВОЙСТВАМ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Область, в которой метод циркуляционной хроматографии оказывается незаменимым - это высокоэффективное препаративное разделений изомеров летучих органических соединений. В ряде случаев близость свойств таких изомеров оказывается еще большей, чем в случае изотопных молекул. Трудности разделения изомеров усугубляются также тем, что часто вновь синтезируемые органические соединения имеются лишь в очень, малых количествах, измеряющихся долями грамма или миллиграммами.

Если задача определения изомерного состава вновь синтезируемых органических веществ в настоящее время решается с помощью высокоэффективной капиллярной хроматографии, то проблема препаративного разделения близких по свойствам изомеров остается одной из наиболее трудных и до конца нерешенных в органической химии. Вместе с тем присущая циркуляционной хроматографии высокая эффективность разделения позволяет решать задачи как аналитического, так и препаративного разделения изомерных структур для решения обширного ряда проблем, выдвигаемых современной органической химией.

Так, для изучения состава продуктов внутримолекулярного ацилирования (О-(5-метилтиенил-2)-алкановых кислот с различной длиной боковой цепи выполнен [139] хроматографический анализ изомерных макроциклических кетонов с тиофеновым ядром. Разделение изомерных циклотиенонов проводили на колонках размером 3 м х 4 мм с сорбентом, содержащим 3% SE-30, при температуре 235°С, скорости газа-носителя 55 мл/мин, рм = = 0,89 МПа, С = 1,25. После 12 полуциклов за время 2 ч было достигнуто значение R = 1,04 при ct = 1,023. Эффективность разделения составляла около 64 тыс. т.т.

Хорошие результаты были получены при разделении геометрических изомеров высококипящих непредельных жирных кислот на колонках с 5% Апиезона L [94]. При 220°С после 11 полуциклов при рм = 0,70 и рвых = 0,62 МПа были разделены метило- леат и метилэлаидат. В сходных условиях проведено разделение изомерных метиллинолеатов. Общая эффективность разделения достигала в этих опытах 83 тыс. т.т.

На колонках длиной по 3,5 м и диаметром 10 мм, заполненных твердым носителем Хезасорб с 5% полисилоксана ХЕ-60, было проведено разделение цис- и пгранс-изомеров 1 -этил-4-изопропил- циклогексана, 2-mpem.-бутилтетрагидрофурана, З-треш.-бутил- циклопентанола [70]. При величине проб 20 мг за 8-9 полуциклов достигалась эффективность разделения от 3 до 8 тыс. т.т. В той же работе выполнено аналитическое разделение смеси метиловых эфиров 1,3-диметилциклогексен-3-карбоновой и 1,4-диметилцик- логексен-3-карбоновой кислот (изомерных продуктов диенового синтеза) са = 1,044. После 8 полуциклов за 1,5 ч была достигнута эффективность 23,5 тыс. т.т. при степени разделения R = 1,04.

Используя циркуляционный газовый хроматограф, на колонке с Хромосорбом W, содержащим 30% динонилфталата, автор работы [140] разделял смесь окиси пропилена и пропионового альдегида. В той же работе за три полуцикла на двух колонках длиной 45 см каждая, заполненных сорбентом, содержащим 7,5% бентона-34 и 14,25% силиконового масла MS-555, были разделены мета- и пара-ксилолы. В работе [115] описано микропрепара- тивное разделение изомерных тетраметил бензоло в - дурола и изодурола с эффективностью разделения 26 тыс. т.т.

Следует заметить, что одним из достоинств метода циркуляционной хроматографии является его универсальность. Благодаря высоким значениям эффективности, достигаемым при многократном повторении цикла разделения, удается добиваться хороших результатов без употребления особо селективных неподвижных жидких фаз. Так, смеси изомерных ароматических углеводородов: мета- и пара-ксилолов, пара-ксилола и этилбензола [137], изомерных тетраметилбензолов [115] были с одинаковым успехом разделены препаративно на неподвижных фазах, не обладавших особой селективностью (LAC-3R-728, DC-550, ПЭГ- 6000, соответственно).

Метод циркуляционной хроматографии нашел также применение при изучении кинетики химических реакций в реакционной газовой хроматографии. Так, при изучении кинетики реакции Дильса-Альдера между изопреном и малеиновым ангидридом последний наносили на хромосорб Р в качестве стационарной фазы в форме раствора в трикрезилфосфате. Изменение концентрации летучего компонента - изопрена - наблюдали по уменьшению площадей пиков, фиксировавшихся в процессе циркуляции [ 141].

Для изучения продуктов реакции гомолитического замещения хлорбензола ацетонильными радикалами, генерированными в окислительно-восстановительной системе ацетон - Мп(ОАс)э-АсОН при 70°С [142] было проведено [138] препара-

Рис. 135. Схемы установок для препаративной циркуляционной газовой хроматографииа - принципиальная схема: / - циркуляционный кран; 2 - дроссель; 3,4 - обратные клапаны; 5, б - колонки; 7 - детектор; /0, / / - регулировочные вентили; /2 - сменные ловушки; б - цельностеклянная установка: 1 - обратные клапаны; 2 - ловушки разделенных фракций; 3 - циркуляционный кран.Рис. 135. Схемы установок для препаративной циркуляционной газовой хроматографииа - принципиальная схема: / - циркуляционный кран; 2 - дроссель; 3,4 - обратные клапаны; 5, б - колонки; 7 - детектор; /0, / / - регулировочные вентили; /2 - сменные ловушки; б - цельностеклянная установка: 1 - обратные клапаны; 2 - ловушки разделенных фракций; 3 - циркуляционный кран.

Рис. 135. Схемы установок для препаративной циркуляционной газовой хроматографии

а - принципиальная схема: / - циркуляционный кран; 2 - дроссель; 3,4 - обратные клапаны; 5, б - колонки; 7 - детектор; /0, / / - регулировочные вентили; /2 - сменные ловушки; б - цельностеклянная установка: 1 - обратные клапаны; 2 - ловушки разделенных фракций; 3 - циркуляционный кран.

Рис. 135. Схемы установок для препаративной циркуляционной газовой хроматографии

а - принципиальная схема: / - циркуляционный кран; 2 - дроссель; 3,4 - обратные клапаны; 5, б - колонки; 7 - детектор; /0, / / - регулировочные вентили; /2 - сменные ловушки; б - цельностеклянная установка: 1 - обратные клапаны; 2 - ловушки разделенных фракций; 3 - циркуляционный кран.

тивное разделение образующейся смеси изомеров с помощью высокоэффективной циркуляционной газовой хроматографии.

Мп(ОАс),СбН5С1 + СН3СОСН3► СНЭСОСН2— С6Н4С1

Это разделение проводили на цельностеклянной установке с краном-переключателем газового потока, расположенным за пределами термостата (рис. 135) [75]. Фрагменты полученной хроматограммы представлены на рис. 136. После проведения 7 полуциклов, что соответствует полной длине пути зон по колонке 28 м, было достигнуто практически полное разделение всех трех изомеров при эффективности разделения для пара-изомера 12,5 тыс.т.т. Коэффициенты разделения изомеров по данным аналитической хроматограммы составляли 1,046 для мета- и иарл-хлорбензилметилкетонов и 1,051 - для орто- и мета-сгр^- ктур.

В работе [143] описана серия препаративных разделений стереоизомерных производных 1,3-диоксолана. Эти пятичленные циклические ацетали вызывают интерес исследователей как модельные системы для изучения стереохимии некоторых природных физиологически активных веществ. Диастереоизомеры 2,4,5-триизо- пропил-, 2-фенил-4,5-диизопропил- и 2-фенил-2-метил-4,5-диизо-

Время, ч12,110,89,1

Рис, 136. Фрагменты хроматограммы препаративного циркуляционного г азо-хроматографического разделения смеси пара- (/), мета- (2) и ор- то-хлорбензилметилкетонов (3) на колонках размером 4 м х 20 мм, заполненных сорбентом с полиэфиром LAC-3R-728 (12%). Условия: температура колонок 220 °C, pRX = 0,58, р№1Х = 0,54 МПа, расход газа-носителя (азота) 380 мл/мин, отбор газа между колонками 3.0%, исходная загрузка 0,5 мл; выход разделенных продуктов 83%

пропил-1,3-диоксолана, синтезированные кислотно-катализируе-мой конденсаций мезо- и £>£-2,5-диметил-гександиолов-3,4 с соот-ветствующими карбонильными соединениями, как показали ре-зультаты расчетов их термодинамических параметров растворе-ния [143], характеризуются весьма близкими свойствами. Близостьсвойств схожих ди- и триал кил(арил)-замещенных производных1,3-диоксолана отмечалась в работах [144-147]. Это вынуждалоисследователей использовать препаративные колонки длиной 20 и7,5 м. Пример препаративных циркуляционных разделений 2-заме-щенных 4,5-диизопропил-] ,3-диоксоланов представлен на рис. 137,Это разделение проводили на циркуляционной установке с клапан-ной переключающей системой, описанной в работе [137]. Коэф-фициент разделения син- и йнтн-изомеров 2-фенил-4,5-диизопро-пил-1,3-диоксолана составлял по данным аналитической хромато-граммы 1,048. Эффективность препаративного разделения к седь-мому полуциклу достигла 14,5 тыс. т.т. (по смн-изомеру). В случае

хЗ

Время, ч 19,012,57,02,5

Рис. 137. Хроматограммы препаративного разделения смесей стереоизомеров

а - фрагменты хроматограммы препаративного циркуляционного разделения смеси цис-анти- {/), цис-син- (2) и тра«с-2-фенил-4,5-диизопропил- 1, 3-диоксоланов (3); величина вводимой пробы 0,6 мл; выход разделенных продуктов 79,5%;

б - фрагменты хроматограммы препаративного циркуляционного разделения смеси стереоизомеров 2-метил-2-фенил-4,5-изопропил-1,3-диоксолана; объем пробы 0,55 мл; выход разделенных продуктов 68%. Условия; 2 колонки размером 4 м х 23 мм, заполненные Хроматоном N с 15% жидкого полисилоксана DC- 550 (15%); температура колонок 210°С,рвх = 0,64; рвь]х = 0,59 МПа, С = 1,26, расход газа-носителя (азота) 480 мл/мин, отбор газа между колонками 3,3%

разделения син- и днтн-изомеров 2,4,5-трипзопропил-1,3-диоксо- лана, для которых различия в свободных энергиях растворения в диапазоне температур 110—140°С не превышают 38-55 Дж/моль (т.е. а = 1,011-1,019), потребовалась уже эффективность свыше 50 тыс. т.т.

В описанных выше экспериментах количество одновременно разделяемых продуктов составляло 0,5-1,0 г, что соответствует масштабу лабораторных исследований, обычно выполняемых в синтетической органической химии в настоящее время.

Однако метод циркуляционной газовой хроматографии может найти достаточно широкое применение и при выполнении специальных препаративных работ, связанных с накоплением больших количеств индивидуальных изомеров для углубленного изучения их физико-химических свойств, использования в дальнейших синтетических исследованиях или для проведения биологических испытаний.

С применением полунепрерывного варианта высокоэффективной циркуляционной газовой хроматографии было выполнено [138] разделение смеси цис-, и транс-изомеров 2,5-диметил- 1,3-оксатиана. Препаративная установка работала при входном давлении 0,59 и выходном 0,56 МПа, отборе части газа-носителя в количестве 2%, температуре колонок 140°С, скорости газа (азота) 300 мл/мин и величине исходной пробы 0,65 мл. Неподвижной фазой служил полиэтиленгликоль карбовакс-20М (10%); использовали колонки размером 4 м х 23 мм. Начиная с восьмого полуцикла, когда полоса хроматографируемых соединений размывалась на всю длину колонки, процесс циркуляции продолжали в режиме безимпульсной хроматографии. Ввод свежих порций разделяемой смеси и отсечение обогащенных концов хроматографической полосы осуществляли на каждом полуцикле в количестве по 50 мкл. К 17 полуциклу было проведено 10 подпиток и собрано примерно 0,5 мл разделенных продуктов, что соответствует 43% общей загрузки, Анализ собранных фракций методом капиллярной хроматографии (колонка длиной 40 м, эффективность 70 тыс. т.т. по бензолу) показал наличие практически чистых соединений, содержащих не менее 99,6% индивидуальных компонентов.

Высокоэффективный метод препаративной циркуляционной газовой хроматографии нашел применение и при изучении состава некоторых продуктов переработки каменных углей. Актуальность задачи полного и рационального использования продуктов переработки углей определяет необходимость разработки доступных методов выделения и анализа соединений каменноугольного происхождения. Изучение состава очищенного от фенола легкого масла с температурой кипения до 250°С, являющегося фракцией смолы среднетемпературного коксования угля Черемховского месторождения (Иркутский угольный бассейн) проведено в работе [138]. Результаты, полученные в ходе этого исследования, свидетельствуют о перспективности использования пре-

Рис. 138. Фрагменты хроматограммы препаративного циркуляционно-хроматографического разделения высококипящей фракции дистиллята очищенного от фенола легкого масла смолы полукоксования черемховского угля на колонках размером 4 м х 23 мм, заполненных сорбентом с полифенилсилоксаном DC-55O (15%). Условия: температура колонок 235°С, р№ = 0,64, рэмх = 0,58 МПа, расход газа-носителя (азота) 450 мл/мин, отбор газа между колонками 3,7%, исходная загрузка 0,5 мл

/ - бензотиофен; 2 - метилбензотиофен; 3 - (3-метилнафталин; 4 - а-метил- нафталин; 5 - дифенил; эффективность разделения после пятого полу цикла 12,5 тыс. т. т, (по Р-метилнафталину); выход разделенных продуктов 84%

паративной циркуляционной газовой хроматографии на стадии выделения изучаемых объектов из продуктов полукоксования. С применением метода циркуляционной газовой хроматографии было показано, что в легком масле смолы среднетемпературного коксования черемховского угля содержатся нормальные насыщенные, циклические, ароматические углеводороды, гетероциклические сернистые соединения ряда тиофена и бензотиофена, а также конденсированные ароматические углеводороды преимущественно ряда нафталина. На рис. 138 представлена хроматограмма препаративного разделения одной из узких фракций легкого масла смолы термодеструктированного черемховского угля.

До недавнего времени разделение энантиомеров «-аминокислот методом газо-жидкостной хроматографии на оптически активных стационарных фазах осуществлялось с помощью высокоэффективных капиллярных колонок. Благодаря появлению высокоселективных хиральных жидких фаз [148-153] стало воз-

m = 1

Время, ч 3.52,51,50,5

Рис. 139, Фрагменты хроматограммы циркуляционно-хроматографического разделения рацемического изопропилового эфира W-три фтор а цели л аланина. Условия: колонки размером 2 м х 3 мм, неподвижная фаза -mpem.-бутиламид ТУ-стеароил-б-валина (4,6%) и ПЭГ-20М (4,4%) на Хроматоне W-Супер; температура колонок 137°С, рвх = 0,69; рВЬ|Х = = 065 МПа, расход газа-носителя (гелия) 35 мл/мин, отбор газа между колонками 2,5%, объем пробы 1 мкл

I и 2 - D- и L-изомеры, соответственно

т = 1

Время, ч 4321

Рис, 140. Фрагменты хроматограммы разделения рацемического изопропилового эфира /V-трифторацетил норвалина на колонках размером 2,5 м х 8 мм, заполненных mpem.-бутиламидом /У-стеароил-б-валина (10%) на Хроматоне N-AW DMCS, Условия: температура колонок 170°С, ррх = 0,66, рвш = 0,60 МПа, расход газа-носителя (азота) 70 мл/мин, отбор газа между колонками 3,7%, исходная загрузка 90 мг; 7 и 2 -£)(-)- и 6(+)-изомеры, соответственно; выход разделенных продуктов 90%

можным применение для этой цели не только капиллярных, но и достаточно эффективных коротких наполненных колонок [154-157]. В этой связи представляется перспективным применение для препаративного разделения рацематов коротких наполненных колонок с селективной хиральной стационарной фазой, включенных в циркуляционную схему.

В работе [158] описано циркуляционно-хроматографическое разделение энантиомеров аланина (рис. 139), валина, норвалина.

лейцина, норлейцина, «лло-изолейцина и изолейцина, в форме изопропиловых эфиров /V-трифторацетильных производных на трет,-бутиламиде ^стеароил-Б-валина в качестве неподвижной фазы. Рассматривая проведенные эксперименты в качестве модели последующего препаративного выделения оптически активных соединений из рацемических смесей, авторы работы [158] показали, что предложенный хиральный разделяющий агент обладает удачным сочетанием довольно высокой термостойкости (более 170°С) с высокой разделяющей способностью. Даже при смешении хирального диамида с ахиральным полиэтиленгликолем в соотношении 1:1 удалось осуществить практически полное разделение энантиомеров ряда аминокислот.

В дальнейшем с использованием колонок размером 2,5 м х 8 мм с сорбентом, содержащим 10% чистой хиральной неподвижной фазы, действительно, удалось осуществить препаративное разделение рацематов ряда а-аминокислот [159]. На рис. 140 представлены фрагменты хроматограммы препаративного разделения рацемата норвалина методом циркуляционной газовой хроматографии. Контроль оптической чистоты выделенных антиподов, проведенный по дисперсии оптического вращения собранных фракций и чистых L- и £)-форм стандарта в растворах с близкой концентрацией, показал хорошее соответствие дисперсионных кривых стандартных образцов и соответствующих выделенных фракций. Было показано, что при загрузке исходного рацемата в количестве 90-120 мг выход разделенных фракций с учетом потерь, связанных с отбором части газового потока для осуществления безимпульсного режима циркуляционной хроматографии, составляет 70-90%. Производительность применявшейся циркуляционной установки, выполненной на базе серийного газового хроматографа ЛХМ-8МД, соответствовала 0,4-0,6 г рацемата в сутки. При этом для повышения производительности препаративного разделения энантиомеров имеются значительные резервы, например, использование циркуляционных систем полунепрерывного действия. Приведенные выше данные позволяют рассматривать описанный процесс препаративной циркуляционной газовой хроматографии оптически активных веществ как новый, ранее не применявшийся в органической химии, способ разделения рацемических смесей, который может найти свое место в практике исследований в области тонкого органического синтеза и биохимии.

Развитые представления об эффектах импульсного сокращения и расширения хроматографических зон, выявленные на их основе оптимальные режимы безимпульсной циркуляционной хроматографии и новые аппаратурно-методические варианты

циркуляционной хроматографии создали основу для использования этого метода для высокоэффективного препаративного разделения чрезвычайно близких по свойствам соединений.

Препаративная циркуляционная хроматография в безим- пульсном режиме, характеризующемся линейным ростом числа теоретических тарелок при увеличении числа циклов, позволяет достигать эффективности разделения, сопоставимой с возможностями капиллярной хроматографии, однако, при величине пробы, большей в 106-10‘ раз. Это позволяет в течение приемлемого времени получать чистые разделенные компоненты в количествах, достаточных для дальнейших физических, химических и биологических исследований.

Углубление теоретических знаний, совершенствование техники и методики циркуляционной хроматографии открывают широкие перспективы для дальнейшего развития циркуляционного метода в различных вариантах хроматографии - газовой, парофазной, сверхкритической, жидкостной - как способа физико-химического исследования, анализа, накопления и препаративного разделения близких по строению и свойствам соединений.

ЦИРКУЛЯЦИОННАЯ ГАЗОВАЯ ХРОМАТОГРАФИЯНА КАПИЛЛЯРНЫХ КОЛОНКАХ

Успешное развитие циркуляционной газовой хроматографии на наполненных колонках естественным образом привело к мысли о создании циркуляционной системы с капиллярными колонками. При этом можно было бы ожидать достижения полной эффективности такой системы до нескольких миллионов теоретических тарелок, если эффективность каждой из колонок, включенных в циркуляционную схему составила бы 50-100 тыс. т.т. Такие системы были действительно осуществлены вначале Дженнингсом и сотр. [29, 30] и позже Чижковым и Стерховым [160-163]. Эти исследователи успешно осуществили несколько вариантов циркуляционных схем со стеклянными и кварцевыми капиллярными колонками. Примеры таких систем представлены на рис. 141.

При этом была показана возможность достижения разделяющей способности до четырех миллионов теоретических тарелок за относительно короткое время. Такая эффективность более чем достаточна для разделения тесных пар изотопно-замещенных органических соединений, различающихся всего на один атом дейтерия (рис. 142).

Рис. 141. Конструкции циркуляционных газо-хроматографических систем с капиллярными колонками/ - испаритель; 2 - кран; 3 - стеклянные капиллярные колонки; 4 - пламенно-ионизационный микродетектор; 5 - сумматор потоков; 6 - регулятор давления; 7- пневмосопротивление; S-делитель потока; 9 - регулятор давления; 10- вентиль тонкой регулировкиРис. 141. Конструкции циркуляционных газо-хроматографических систем с капиллярными колонками/ - испаритель; 2 - кран; 3 - стеклянные капиллярные колонки; 4 - пламенно-ионизационный микродетектор; 5 - сумматор потоков; 6 - регулятор давления; 7- пневмосопротивление; S-делитель потока; 9 - регулятор давления; 10- вентиль тонкой регулировки

Рис. 141. Конструкции циркуляционных газо-хроматографических систем с капиллярными колонками

/ - испаритель; 2 - кран; 3 - стеклянные капиллярные колонки; 4 - пламенно-ионизационный микродетектор; 5 - сумматор потоков; 6 - регулятор давления; 7- пневмосопротивление; S-делитель потока; 9 - регулятор давления; 10- вентиль тонкой регулировки

Рис. 141. Конструкции циркуляционных газо-хроматографических систем с капиллярными колонками

/ - испаритель; 2 - кран; 3 - стеклянные капиллярные колонки; 4 - пламенно-ионизационный микродетектор; 5 - сумматор потоков; 6 - регулятор давления; 7- пневмосопротивление; S-делитель потока; 9 - регулятор давления; 10- вентиль тонкой регулировки

При использовании таких циркуляционных систем полная эффективность, равная шести миллионам т.т., была достигнута после 35 циклов. Общая длина колонки, пройденная хроматографической зоной в этих опытах, составила 4,2 км. По-видимому, этот результат представляет собой наиболее высокую разделяющую способность, достигнутую к настоящему времени при использовании всех известных хроматографических систем.

На первый взгляд может показаться, что в стремлении к достижению такой высокой эффективности нет особого смысла, так как изомерные и изотопно-замещенные органические соединения с исчезающе малыми различиями в их летучести (а менее 1,005) могут быть успешно разделены уже при эффективности

Рис. 142, Циркуляционное газохроматографическое разделение смеси дейтерозамещенных аналогов бензола

/ - гексадейтеробензол; 2 - тетрадейтеробензол; J - дидейтеробензол; 4 - бензол

DDDDDDDDDDили в изомерах дидейтеробензолаили в изомерах дидейтеробензолахроматографической системы в 2-3 миллиона т.т. Однако непрерывное развитие науки и технологии настоятельно требует решения все более и более трудных задач анализа и разделения веществ, которые предстоит решать новым поколениям исследователей, вдохновляемых теми новыми фантастическими перспективами, открывающимися перед ними в сфере хроматографии. Среди таких проблем, ожидающих своего решения можно указать задачи разделения изомеров органических соединений, различающихся по положению или по пространственной конфигурации атома изотопа в молекуле, как, например, атомы дейтерия в изомерных аддуктах I-дейтеробутадиена с асимметрическими диенофилами

DDDDD

DDDDD

или в изомерах дидейтеробензола

или в изомерах дидейтеробензола

Другими примерами трудноосуществимых разделений, ожидающих своего решения, можно назвать разделение изомерных моно- или дидейтеробензолов с одним или несколькими алкильными заместителями, как в случае изомеров дейтеротолуола

и целый ряд других примеров.

Существенной особенностью таких проблем является то обстоятельство, что они не могут быть решены с помощью других аналитических методов, например, таких как метод масс-спектрометрии, столь важный в других изотопных исследованиях.

ЛИТЕРАТУРА

Чижков В.П. // Завод, лаб. 1969. Т. 35. С. 129.

Чижков В.П. И Там же. 1973. Т. 39. С. 663.

Жуховицкий А. А., Туркельтауб Н.М. Н Газовая хроматография: (Тр. ] Всесоюз. конф.). М.: Изд-во АН СССР, 1960. С. 107.

Spedding Е., Powell LW., Svec Н. Н J. Amer. Chem. Soc. 1955. Vol. 77. P. 6125?

Андреев Б.М., Боресков Г.К., Катальников С.Г. // Хим. пром-сть. 1961. №6. С. 389.

PorathJ., Bennich Н. // Arch. Biochem. and Biophys. Suppl. 1962. Vol. 1. P. 152. '

KiHander J., Bengtsson S., Philipson L. H Proc. Soc. Exp. Biol, and Med. 1964. Vol. 115. P. 861.

Killander J. H Biochim. et Biophys. acta. 1964. Vol. 93. P. 1.

Bombaugh KJ., Dark W.A., Levangie R.F, И L Chromatogr. Sci. 1969. Vol. 7. P. 42.

Bombaugh KJ. // J Chromatogr. 1970. Vol. 53. P. 27.

Bombaugh KJ., LevangieRE. H Separ. Sci. 1970. Vol. 5. P. 751.

Bombaugh KJ., Levangie R.F. // J. Chromatogr. Sci. 1970. Vol. 8. P. 560.

Riesenberger J.A.. Tan M„ Duvdervani J., Maurer T. H Polym. Lett. 1971. Vol. 9. P. 353.

Nakamura S., Yshiguro S.. Yamada T., Moriizumi S. П J Chromatogr. 1973.

Vol. 83. P. 279.

A5.KalaszH.,KnollJJ?Sd. Tools. 1973. Vol. 20. P. 15.

Henry R.A., Byrne S.H., Hudson D.R. // J. Chromatogr. Sci. 1974. Vol. 12. P. 197.

Lesec J., Lafuma F., Quivoron C. // Ibid. P. 683.

Conroe K.E. //Chromatographia. 1975. Vol. 8. P. 119.

Kalasz H., Nagy J., Knoll J. // J. Chromatogr. 1975. Vol. 105. P. 35.

Cooper A.R. // Chromatographia. 1975. Vol. 8. P. 136.

Martin M., Verillon F., Eon C„ Guiochon G. // J. Chromatogr. 1976. Vol. 125. P. 17.

Liule L.N., Cotter R.L., Prendergast J .A., McDonald P.D. //Ibid. Vol. 126. P. 439.

Yoshida T.. Chi-Kuen Shu, Theimer E.T. // Ibid. 1977. Vol. 137. P. 461.

Lesec J., Lafuma F„ Quivoron C. // Ibid. Vol. 138. P. 89.

Pokorny S., Lukas R.,Janca J. .Kolinsky M. //Ibid. 1978. Vol. 148. P. 183.

Snyder L.R., Dolan J.W., van der Wal S. // Ibid. 1981. Vol. 203. P. 3.

ZLMinarik M„ Popl M„ Mosleckv J. H J, Chromatogr. Sci. 1981. Vol. 19. P. 250.

Kucera P„ Manias G. H J. Chromatogr. 1981. Vol. 219. P. 1.

Cog В., Creiier G., Rocca J.L., Vialle J. H J. Liquid Chromatogr. 1981. Vol. 4. P. 237.

Gocan S., Kondor E. // Stud. Univ. Babes-Bolyai. Chern. 1979. Vol. 24. P. 15.

Sakodynsky K.L, Wolkow S.A., Brazhnikow И-'Ж, Zhavoronkow N.M. // Gas-Chromatographie. 1963: (Vortrage des IV. Symp. Gas- Chromatographie). B.; Akad.-Verl. 1963. S. 231.

Сакодынский К.И., Волков С.А., Жаворонков Н.М. // Докл. АН СССР. 1966. Т. 170. С. 1136.

Волков С.А., Сакодынский К.И., Дармоно М. И Нефтехимия. 1969. Т. 9. С. 638.

Тарамассо М., Сакодынский К.И. Н Успехи хроматографии. М.: Наука. 1972. С. 248.

Jennings Ж, Settlage J.A., Miller RJ. Ц J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 1979. Vol. 2. P. 441.

Jennings W., Settlage J.A., Miller RJ., Raabe O.G. // J. Chromatogr. 1979. Vol. 186. P. 189.

Martin AJ.P. // Vapour phase chromatography / Ed. D.H. Desty. L.: Butterworths, 1957. P. 1.

Manin AJ.P. // Gas chromatography / Ed. V.S. Coates et al. N.Y.; Acad, press. 1958. P. 237.

Porter R.S., Johnson J.F. // Nature. 1959. Vol. 183. P. 391.

Porter R.S., Johnson J.F. // Ibid. Vol. 184. P, 978.

Porter R.S., Johnson J.F. H Industr. and Eng. Chern. 1960. Vol. 52. P. 691.

Sideman S. H Bull. Res. Council Isr. 1961. Vol. 10A. P. 20.

Sideman S. //Chem. Eng. Sci. 1963. Vol. 18. P. 95.

Maxwell C.T. JPav 3112639 US. Appl. 1960; 1964. Vol. 60,6221.

Чиж ков В.П., Самогил И., Скорняков Э.П. // А.с. 160363 СССР. 1961; БИ. 1964. №3.

Golay M.J.E. Pat. 3220664 US. 1962; Appl. 1962; Chem. Abstr. 1963. Vol. 59. 9292.

Golay M.J.E., Hill HJ„ Norem S.D. // Anal. Chem. 1963. Vol. 35. P. 488.

Sakodynsky KJ. // Gas Chromatography. 1962 / Ed. M., van Swaay. L.: Butterworths. 1962. P. 64.

Sideman S. // Bull. Chem. Soo. Jap. 1964. Vol. 37. P. 1565.

Pat. 1623052 FRG Appl. 1966.

Чижков В.IL, Скорняков Э.П. A.c. 182397 СССР. Заявл. 1965; БИ.

1966. № I.

Рапопорт Л.М., Чижков В.П., Скорняков Э.П. А.с. 180408 СССР. Заявл. 1965; БИ 1966. № 7.

Скорняков Э.П., Чижков В.П. А. с. 182396 СССР. Заявл. 1965; БИ.

1966. № 11.

Скорняков Э.П., Вайнберг И.Б., Тупицын В.С. А. с. 187389 СССР. Заявл. 1965; БИ. 1966. № 20.

Скорняков Э.П., Вайнберг И.Б., Тупицын В.С., Сакодынский К.И. // Хим. пром-сть. 1967. № 4. С. 265.

Barker Р.Е. // Brit. Chem. Eng. 1966. Vol. 11. P. 202.

Barker P.E. // Discovery. 1966. Vol. 27. P. 18.

Barker P.E., Huntington D.H. И J. Gas Chromatogr. 1966. Vol. 4, P. 59.

Barker P.E., Deeble R.E. // Anal. Chem. 1973. Vol. 45. P. 1121.

Barker P.E., Liodakis S.E. // Chromatographia. 1978. Vol. 11. P. 703.

Barker P.E., Liodakis S.E., Howari M.L. H Canad. J. Chem. Eng. 1979.

Vol. 57. P. 42.

Чижков В.П,, Горюнов Ю.А. //А.с. 231201 СССР. Заявл. 1966; БИ 1968. №35.

Мастек A.O.S. // J. Chromatogr. 1967. Vol. 30. Р. 25.

Deford D.D. Pat. 3455090 US. Appl. 1969; Chem. Abstr. 1969. Vol. 71. P. 140.

Скорняков Э.П., Климента Т.И., Херем Х.Э. А. с. 318864 СССР. Заявл. 1967; БИ. 1971. Ne 32.

Скорняков Э.П., Ефимов ВД., Колмановский В.И., Рыбалченко Ю.П. А. с. 309296 СССР. Заявл. 1967; БИ 1971. №22.

Скорняков Э.П., Климента Т.И., Херем Х.Э. А.с. 304857 СССР. Заявл. 1969; РЖХим. 1979. ЗГ190П.

Чижков В.П., Синицына Л.А., Юшина Г.А.,Лягин Ю.М. А.с. 425104 СССР. 1972; БИ. 1974. № 15.

Чижков В.П., Синицына Л.А. И Жур. аналит. Химии. 1974. Т. 29. С. 600.

Чижков В.П., Руденко Б.А., Синицына Л.А., Юшина Г.А. // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1975. С. 1207.

Чижков В.П., Синицына Л.А., Лягин Ю.М. // Завод, лаб. 1972. Т. 38.

С. 1301.

Чижков В.П., Юшина Г.А. // Журн. аналит. химии. 1976. Т. 31. С. 16.

Чижков В.П.. Юшина Г.А., Павлов С.С.,Литвин Е.Ф., Руденко Б.А. А. с. 506801 СССР. Заявл. 1973; БИ 1976. № 10.

Чижков В.П., Юшина Г.А., Руденко Б.А., Забокрицкий М.П. И Журн. аналит. химии. 1979. Т. 34. С. 1847.

Забокрицкий М.П., Павлов С.С., Руденко Б.А.. Чижков В.П. А.с. 756289 СССР. Заявл. 1978; БИ 1980. № 30.

Marlin AJ.P. Ц Experientia. 1956. Vol. 5. P. 21.

Скорняков Э.П., Сакодынский К.И., Чижков В.П. // Журн. физ. химии. 1966. Т. 40. С. 1975.

Волков С, А. И IV Всесоюз. на уч.-техн. конф, по газовой хроматографии (Киев. 1966): Тезисы и аннот. докл. М., 1966. С. 24.

Сакодынский К.И., Волков С.А., Зелъвенский В.К. // Газовая хроматография: (Тр. III Всесоюз. конф.). Дзержинск, 1966. С. 326.

Новаковский Е.М., Коган В,Б., Данишевский Л.П., Утробина Л. В. // Газовая хроматография. 1968. Выл. 8. С. 91.

Новаковский Е.М., Коган В.Б., Утробина Л.В., Данишевский Л.П. И Там же. 1969. Вьтп. 9. С. 127.

Root J.W., Lee Е.К.С., Rowland F.C. // Science. 1964. Vol. 143. P. 676.

Ache H.J., WolfA.P. Ц J. Amer. Chern. Soc. 1966. Vol. 88. P. 888.

Acte H.J., Wolf A.PJ/Ztschs. anal. Chem. 1967. Bd. 230. S. 19.

Bayer E., Nicholson G., Sievers R.E. // J. Chromatogr. Sci. 1970. Vol. 8. P. 467.

Мюллер Г., Майерсбергер К., Шпринц X. Ц Специальные методы анализа стабильных изотопов. М.: Атомиздат. 1974. С. 262.

Жуховицкий А. А., Туркельтауб Н.М. // Успехи химии. 1957. Т. 26. С. 992.

Чижков В.П., Усоров М.И. А. с. 345433 СССР. Заявл. 1970: БИ 1972. №22.

Чижков В.П., Усоров М.И. //Завод, лаб. 1971. Т. 37. С. 1281.

Чижков В.П. // Журн. аналит. хим. 1972. Т. 27. С. 1383.

Чижков В.П., Усоров М.И., Синицына Л.А. Ц Завод, лаб. 1971. Т. 37. С. 1286.

Чижков В.П., Матюков А.А., Гуревич Я.А., Литвин Е.Ф. И Жунр. физ. химии. 1969. Т. 43. С. 1053.

Чижков В.П,, Матюков А. А., Гуревич Я.А.. Усоров М.И. // Завод, лаб. 1969. Т. 35. С. 1446.

Чижков В.П., Литвин Е.Ф., Усоров М.И. и др. И Изв. АН СССР. Сер. хим. 1971. № 6. С. И 54.

Pauls R.E., Shepard А.Т., Phelps J.E. el a). // Separ. Sci. 1977. Vol. 12. P. 289.

Усоров М.И. Исследование эффективности и разделяющей способности насадочных колонок в циркуляционной газовой хроматографии. Дис. ... канд. хим. наук. М., 1972.

Чижков В.П., Синицына Л.А. // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1972. С. 674.

Lovelock J.E., Simmonds P.G., Shoemake G.R. II Anal. Chem. 1970. Vol. 42. P. 969.

Lovelock J.E., Simmonds P.G., Shoemake G.R. // Ibid. 1971. Vol. 43. P. 1958.

Чижков В.П., Саяогил И. // Журн. физ. химии. 1968. Т. 42. С. 3127.

Чижков В.П,, Матюков А.А., Гуревич Я.А. И Завод, лаб. 1971. Т. 37. С. 1038.

Bruner Г., Di Corcia A J/ J. Chromatogr. 1969. Vol. 45. P. 304.

Di Corcia A., Bruner F. //Ibid. 1970. Vol. 49. P. 139.

Di Corcia A.. Fritz D„ Bruner F. // Ibid. Vo). 53. P. 135.

Bruner F., Ciccioli P.. Di Corcia A. H Anal. Chern. 1972. Vol. 44. P. 894.

Di Corcia A., Giabbal M. // [bid. 1978. Vol. 50. P. 1000.

Чижков В.П. //Журн. физ. химии. 1973. Т. 47. С. 1812.

Чижков В.П. II Жури. анал. химии. 1974. Т. 29. С. 1193.

Чижков В.П., Юшина Г.А., Литвин Е.Ф. // Там же. 1976. Т. 31. С. 1521.

ПО. Goretti G.. Liberti А„ Nota G. //Gas Chromatography. 1968 / Ed. C.L.A. Harboum. L: Inst. Petrol.. 1969. P. 23.

Goretti G., Liberti /3., Nota G. H J. Chromatogr. 1968. Vol. 34. P. 96.

Pecsar R.E. H Preparative Gas chromatography / Ed. A Zlatkis, V. Pretorius. N.Y.: Wiley. 1971. Рус. пер. в кн.: Препаративная газовая хроматография. М.: Мир. 1974. С. 80.

Verzele М. И Ibid. Рус. пер. в кн.: Препаративная газовая хроматография. М.: Мир. 1974. С. 238.

Чижков В.П. Дис. ... хим. наук. М.: 1977.

Chizhkov V.P., Yushina G.A., Sinitsina LA.. Rudenko BA. // J. Chromatogr. 1976. Vol. 120. P. 35.

Guiochon G. Ц Chromatogr. Rev. 1966. Vol. 8. P. 1.

Verzele M„ Verstappe M. // J. Chromatogr. 1965. Vol. 19. P. 504.

Verzele M. // J. Gas Chromatogr. 1966. Vol. 4. P. 180.

Руденко Б.А.. Кузовкин В. А.. Пауков B.H., Кучеров В.Ф. И Изв. АН СССР. Сер. хим. 1971. С. 1384.

Сакодынский К.И., Волков С.А. И Препаративная газовая хроматография. М.: Химия. 1972. С. 95.

Чижков В.П., Юшина Г.А., Либерман АЛ., Тюнькина Н ИЛ Завод, лаб. 1978. Т. 44. С. 1064.

Dickel G.. Becker К. И Chern. Ing. Techn. 1966. Bd. 28. S. 529.

Бреслер C.E., Егоров А.И., Константинов В.П. // Изв. АН СССР. ОХН. 1960. С. 1938.

Davidson C.N., Mann С.К., Sheline R.K. И J. Amer. Chern. Soc. 1961. Vol. 83. P. 2389.

Жуховицкий A.A.. Туркельтауб H.M. И Газовая хроматография. М.: Гостоптехиздат. 1962. С. 43.

Чижков В.П. Ц Теорет. основы хим. технологии. 1969. Т. 3. С. 518.

Liberti A., Cartoni G.P.. Bruner F. И J. Chromatogr. 1963. Vol. 12. P. 8.

Cartoni G.P., Liberti A., Pela A. II Anal. Chern. 1967. Vol. 39. P. 1618.

Ле-Чи-Ле, Сакодынский К.И. Ц Журн. физ. химии. 1972. Т. 46. С. 1510.

Руденко Б.А. И Капиллярная хроматография. М.: Наука. 1978. С. 11.

Lambrecht R.M., Withnell R„ WolfA.P. H Chern. Instrum. 1976. Vol. 7. P. 157.

Blanc C„ Huynch C.-Т., Espagno L. Ц J. Chromatogr. 1967. Vol. 28. P. 177.

Чижков В.П.. Синицына Л.A. И Журн. физ. химии. 1974. Т. 48. С. 142.

34. Chizhkov V.P.. Sinitsina LA. И J. Chromatogr. 1975. Vol. 104. P. 327.

Забокрицкий М.П.. Руденко Б.А.. Чижков В.П. Н Изв. АН СССР. Сер. хим. 1977. С. 1627.

Чижков В.П., Юшина Г.А.,Литвин Е.Ф. //Журн. физ. химии. 1978. Т. 52. С. 475.

Забокрицкий MIL, Руденко Б.А., Чижков В.П. // Аналитическое и препаративное применение хроматографии. М.: НИИТЭХИМ. 1980. С. 62.

Забокрицкий М.П. Высокоэффективное препаративное разделение близких по строению и свойствам органических соединений методом циркуляционной газовой хроматографии, Дис. ... канд. хим. наук. М., 1982.

Чижков В.П., Усоров М.И. // Завод, лаб. 1971. Т. 37. С. 131.

Reid А.М. // J. Chromatogr. Sci. 1976. Vol. 14. P. 203.

Berezkin V.G., Shirjeva V.E. // J. Chromatogr.. 1972. Vol. 69. P. 25.

Мин P.C., Аксенов B.C., Виноградов М.Г., Никишин Г.И. // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1979. С. 2292.

Забокрицкий М.П., Букин В.А., Руденко Б.А. И Там же. 1982. С. 2277.

Anteunis М., Alderweireldt F. // Bull. Soc. chim. Belg. 1964. Vol 73. P. 903.

Rommelaere K, Anteunis M. // Ibid. 1970. Vol. 79. P. 11.

Willy И/.Е., Binsch G., Eliel E.L. // J. Amer. Chem. Soc. 1970. Vol. 92. P. 5394.

Kametani F.. Sumi Y. 11 Chem. Pharm. Bull. 1972, Vol. 20. P. 1479.

Gil-Av E., Feibush B. //Tetrahedron Lett. 1967, N 35. P. 3345.

Feibush B.//Chem. Commun. 1971. N 11. P. 544.

Frank H.. Nicholson G.L, Bayer E. // J, Chromatogr. Sci. 1977. Vol. 15. P. 176.

Saeed T„ Sandra P., Verzele M. // J. Chromatogr. 1979. Vol. 186. P. 611.

Oi N„ Hiroaki O„ Shimada H. H Bunseku Kagaku (= Jap. Analyst). 1979. Vol. 28. P. 125.

3. Oi N., Hiroaki 0., Shimada H. et al. // Ibid. 1980. Vol. 29. P. 270.

Lochmuller C.H., Souter R.W. // J. Chromatogr. 1973. Vol. 87. P. 243.

Banner W.A., Van Dort M.A.. Flores L. // Anal. Chem. 1974. Vol. 46. P. 2104.

Charles R., Beitler U., Feibush B., Gil-Av E. // J. Chromatogr. 1975. Vol. 112. P. 121.

Oi N.. Horiba M„ Kitahara H. // Ibid. 1980. Vol. 202. P. 299.

Забокрицкий М.П., Руденко Б.А., Чижков В.П. и др. И Изв, АН СССР. Сер. хим. 1981. С. 1045.

Забокрицкий М.П., Руденко Б.А., Чижков В.П. //Докл. АН СССР. 1982. Т. 263. С. 1155.

Стерхов Н.В., Равикович В.М.,Литвин Е.Ф., Чижков В.П. //Журн. физ. химии. 1983. Т. 57. С. 2897.

Стерхов Н.В., Забокрицкий М.П., Чижков В.П. И Изв. АН СССР. Сер. хим. 1985, С. 1233.

Chizhkov V.P., Pavlov S.S., Sterkhov N.V. et al. // Taianta. 1987. Vol. 34. P. 227.

Стерхов H.B., Чижков В.П. Ц Завод, лаб. 1991. Т. 57. С. 1.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие 3

Глава 1

Введение 6

Что такое “высокоэффективные хроматографические процессы”? 6

Возникновение высокоэффективных хроматографических методов 8

Связь хроматографических параметров разделяемых веществ с их физическими свойствами 11

Разделение. Эффективность хроматографической системы ...16

Необходимость высокоэффективных разделительных систем в хроматографии 21

Связь эффективности хроматографического разделения с параметрами эксперимента 25

Глава 2

Высокоэффективная газовая хроматография на наполненных колонках 37

Глава 3

Капиллярная хроматография 56

Возникновение и развитие капиллярной хроматографии 56

Течение газов в тонких трубках 62

Зависимость скорости хроматографического процесса от вязкости подвижной фазы 65

Движение хроматографической зоны в трубках с покрытыми жидкостью стенками. Уравнение Голея 67

Сопротивление массопередаче на межфазных границах77

Перепад давления в колонке. Показатель эффективности ....78

Эффективность колонок некруглого сечения 82

Эффективность капиллярных колонок в турбулентном режиме течения подвижной фазы 83

Способы выражения эффективности капиллярных колонок 89

Определение параметров удерживания несорбирующегося компонента при работе с капиллярными колонками94

Сопоставление основных характеристик капиллярных и наполненных колонок 98

Влияние величины пробы на параметры разделения в капиллярной колонке 104

Глава 4

Приготовление капиллярных колонок 115

Материалы для изготовления капиллярных колонок 115

Подготовка капиллярных трубок для нанесения неподвижной фазы на их внутреннюю поверхность ! 19

Нанесение неподвижной жидкой фазы динамическим способом 124

Нанесение неподвижных жидких фаз статическим способом 134

Капиллярные колонки со стенками, покрытыми твердым носителем 137

Капиллярные колонки для газоадсорбционной хроматографии 141

Завершающие операции в процессе приготовления капиллярных колонок 144

Подавление адсорбционной активности газожидкостных капиллярных колонок 145

Глава 5

Стеклянные и кварцевые капиллярные колонки 152

Стеклянные и кварцевые капиллярные колонки в медико-биологических исследованиях и анализе неустойчивых веществ .. 152

Технология изготовления стеклянных капилляров большой длины 155

Модификация внутренней поверхности стеклянных и кварцевых капилляров 161

Техника нанесения неподвижных фаз на стеклянные и кварцевые капиллярные колонки 172

Стеклянные и кварцевые капиллярные колонки со стенками, покрытыми твердыми носителями и адсорбентами 176

Иммобилизация полисилоксановых неподвижных фаз на стенках капиллярных колонок 191

Общие рекомендации по приготовлению стеклянных и кварцевых капиллярных колонок 195

Испытание готовых капиллярных колонок и оценка их качества 199

Глава 6

Некоторые неподвижные фазы для капиллярной хроматографии 215

Неподвижные фазы общего назначения 215

Жидкокристаллические неподвижные фазы 219

Модифицирование неподвижных фаз полярными добавками 221

Неподвижные фазы для разделения оптических изомеров органических соединений 223

Глава 7

Аппаратура для капиллярной хроматографии 237

Особенности газохроматографической аппаратуры, применяемой при работе с капиллярными колонками 237

Устройства для ввода проб в капиллярные колонки 249

Детектирующие устройства. Количественные определения в капиллярной хроматографии 274

Регистраторы. Экспресс-хроматография 311

Глава 8

Сочетание капиллярной хроматографии и масс-спектрометрии ... 335

Хромато-масс-спектрометрия - наиболее совершенный метод анализа состава органических веществ 335

Особенности аппаратуры. Требования к масс-спектрометрам 341

Удаление газа-носителя. Молекулярные сепараторы 344

Соединение капиллярных хроматографов и масс-спектрометров 351

Применение капиллярной хроматографии для анализа трудноразделяемых и многокомпонентных смесей 357

Капиллярная хроматография в биохимических и медико-биологических исследованиях 367

Глава 9

Циркуляционная газовая хроматография 382

Введение 382

Варианты циркуляционной газовой хроматографии. Аппаратура 383

Основные теоретические закономерности процесса циркуляционной газовой хроматографии 386

Эффективность колонок в циркуляционной газовой хроматографии 398

Разделение изотопно-замещенных соединений 401

Разделение близких по строению и свойствам органических соединений 405

Циркуляционная газовая хроматография на капиллярных колонках 414

Научное издание

Руденко Борис АнтоновичРуденко Галина Ивановна

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕПРОЦЕССЫ

Том 1

Газовая хроматография

Утверждено к печатиУченым советом Института геохимиии аналитической химииим. В.И. ВернадскогоРоссийской академии наук

Зав, редакцией Н.А. СтепановаРедактор Н.М. АлександроваХудожник ЕА. ШевейкоДизайн оформления Е.Б. РуденкоХудожественный редактор В.Ю. ЯковлевТехнический редактор О.В. АредоваКорректоры ЗД, Алексеева, Г.В. Дубовицкая

ЛР № 020297 от 23.06.1997

Подписано к печати 03.12.2002Формат 60 х 90 1/16. Гарнитура ТаймсПечать офсетная

Усл.печ.л, 27,0. Усл.кр.-отт. 27,5. Уч.-изд. л. 27,6

Тип. зак. 3856

Издательство "Наука"117997 ГСП-7, Москва В-485, Профсоюзная ул„ 90E-mail: secret@naukaran.ru

Internet: www.naukaran.ru

Санкт-Петербургская типография “Наука"199034, Санкт-Петербург В-34, 9-я линия, 12