ЖУРНАЛ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2015, том 70, № 9, с. 984-991
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ =
УДК 543.544
ОСОБЕННОСТИ И КРИТЕРИИ ПЕРЕГРУЗКИ ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИХ СИСТЕМ © 2015 г. И. Г. Зенкевич1, А. А. Павловский
Санкт-Петербургский государственный университет, Институт химии 198504 Санкт-Петербург, Университетский просп., 26 1Е-таИ: izenkevich@mail15.com Поступила в редакцию 28.07.2014 г., после доработки 20.11.2014 г.
Сопоставлены новые критерии оценки границ массовой перегрузки хроматографических систем, основанные на зависимости параметров удерживания аналитов от дозы, факторах уширения пиков, а также от искажения их формы. Критерий, основанный на зависимости индексов удерживания от масс аналитов в хроматографических зонах, позволяет на качественном уровне предположить влияние температуры колонки на границы перегрузки. Такой эффект в газовой хроматографии не имеет аналогов в других методах разделения. Два других критерия дают удовлетворительно совпадающие друг с другом оценки границ перегрузки как для неполярных, так и для полярных аналитов. Подтверждено, что аномалии температурных зависимостей индексов удерживания некоторых полярных соединений на неполярных фазах (превращение монотонных зависимостей в зависимости с экстремумами, обычно минимумами) непосредственно не связаны с перегрузкой хроматографических колонок, хотя и наблюдаются при приближении к ее границам.
Ключевые слова: газовая хроматография, критерии перегрузки, полярность аналитов, асимметрия пиков.
Б01: 10.7868/80044450215090194
Одним из важнейших условий максимальной эффективности хроматографических систем является предотвращение их перегрузки по целевым компонентам анализируемых образцов. Термин "перегрузка" широко используют в хроматографии (особенно в препаративной), однако до настоящего времени он не имеет четкого определения и нередко воспринимается на интуитивном уровне. Комментарии к этому понятию часто можно найти не в специальной литературе (например, его нет в "Энциклопедии хроматографии" [1]), а в сети Интернет. Проявление перегрузки обычно связывают с уширением и искажением формы пиков, а также с аномально выраженной зависимостью времен удерживания аналитов от их дозируемых количеств [2].
Причиной обусловленных перегрузкой эффектов является увеличение длины участков колонок, занимаемых хроматографическими зонами в момент дозирования, что приводит к искажению формы пиков [2]. Это может происходить в результате как объемной, так и массовой перегрузки [3]. Объемная перегрузка приводит к уши-рению пиков, но они могут оставаться симметричными, высоты пиков меньше зависят от объема проб, а положения их максимумов смещаются
в сторону больших значений времен удерживания [4]. Массовая перегрузка соответствует такому насыщению неподвижной фазы или слоя сорбента компонентами проб, которое приводит к нелинейности изотерм адсорбции и, следовательно, к искажению формы хроматографических пиков. В зависимости от вида изотерм возможно как увеличение (типично для газожидкостного варианта разделения), так и уменьшение (в газо-адсорбци-онной хроматографии) времен удерживания. Для оценки максимальных количеств аналитов Иш(т), дозирование которых еще не приводит к перегрузке колонок, рекомендовано использовать следующее соотношение [5, с. 73]:
Иш(т) ~ кф^5/2Ь1/2 = 3/2Ь1/2, (1)
где d — диаметр колонки, df — толщина пленки неподвижной фазы, ф = df/d, Ь — длина колонки, размерный коэффициент пропорциональности к зависит от химической природы аналитов и неподвижных фаз. Из-за сложностей оценок значений коэффициента к это соотношение более применимо не для абсолютных вычислений, а для сравнения границ перегрузки различных колонок.
Иная интерпретация эффектов массовой перегрузки заключается в следующем: если непо-
движная фаза предельно насыщена анализируемым компонентом, то он начинает выполнять функции неподвижной фазы, влияя как на свои собственные параметры удерживания [6], так и удерживание других аналитов [7].
Необходимость экспериментальной оценки границ перегрузки хроматографических колонок можно проиллюстрировать следующими примерами. Одним из главных факторов, определяющих межлабораторную воспроизводимость индексов удерживания (Ы), является их зависимость от редко контролируемого соотношения количеств (или площадей пиков) целевых аналитов (5X) и реперных компонентов (н-алканов, 5п + 5п + 1), описываемая следующим соотношением [8—10]:
М = Я10 + Ш(у), (2)
где у = 5х(5п + 5п +1), к - коэффициент пропорциональности. Значения коэффициентов к зависят от абсолютных количеств аналитов во всем диапазоне их вариаций, но при приближении к области перегрузки колонки существенно возрастают. Таким образом, повышение точности и воспроизводимости определения Ш и, следовательно, надежности хроматографической идентификации в целом, требует контроля границ перегрузки.
Другой фактор, влияющий на межлабораторную воспроизводимость Ш, — их температурная зависимость, которую в первом приближении часто полагают линейной, ограничиваясь двумя первыми слагаемыми разложения функции Ш(7) в ряд Тейлора [11-13]:
Ш(Т) = М(Т0) + Ж1/ёТ(Т - Т0), (3)
где р = ¿Ш^Т ~ [М(Т) - М(Т0)]/(Т - Т0) - температурный коэффициент индексов удерживания. Для этой зависимости известен эффект, интерпретация которого требует "соотнесения" областей его проявления с возможной перегрузкой хроматографических систем - изменение знака температурных коэффициентов в полярных анали-тов на неполярных неподвижных фазах при понижении температуры [14-21], что приводит к замене монотонных зависимостей Ш(Т) зависимостями, имеющими экстремумы (чаще минимумы).
В обычной аналитической практике появление на хроматограммах сильно уширенных или искаженных по сравнению с остальными интенсивных пиков чаще всего интерпретируют как результат значительной перегрузки колонки по 1
этим компонентам и выявляют визуально. Однако существуют задачи, решение которых требует более точной оценки границ перегрузки. С этой
В общем случае это положение некорректно, поскольку некоторые соединения дают асимметричные пики на хромато-граммах при любом их содержании в пробах (например, простейшие полярные алканкарбоновые кислоты ЯС02Н при использовании колонок с неполярными фазами).
целью было рекомендовано контролировать отношения высот пиков (H) к их площадям (S) при увеличении концентрации (с) аналитов в образцах (критерий I) [22]. При перегрузке колонки вместо постоянных отношений H/S наблюдается их зависимость от концентрации, H/S = f(с), а для аналогичной зависимости H/с регистрируются отклонения от линейности. Другой способ (критерий II) [23] основан на оценке эффективности хроматографической системы (N, число теоретических тарелок, т.т.); перегрузку оценивают по "точке", в которой значение N уменьшается на 10% по сравнению с нормальным значением. Однако если учесть определение величины N [см. соотношение (4)], то можно показать, что оба критерия не противоречат друг другу, но второй из них должен быть более чувствительным к перегрузке, так как в соответствующую формулу входит отношение (S/H) в квадрате. Кроме того, второй критерий учитывает вариации ширины пиков ю, измеряемые либо на половине высоты, либо в основании:
N~ k(iR/w)2, но S ~ HtR и тогда N~ £[S/(H®)]2.(4)
Экспериментальная проверка указанных критериев на примерах различных соединений показала, что их применение осложняется недостаточной чувствительностью к граничным эффектам начала перегрузки.
Цель настоящей работы — поиск новых способов и критериев решения таких задач.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Приготовление модельных смесей. Границы перегрузки хроматографической колонки выявляли на примере трех соединений разной полярности: неполярного (толуол), среднеполярного (бутанол-1) и сильно полярного ^^-диметилформамид, ДМФА). Их физико-химические характеристики приведены в табл. 1 и включают нормальные температуры кипения (Ткип, °C), относительные плотности (d4 ), индексы удерживания на стандартных неполярных полидиметилсилоксановых неподвижных фазах (^неполярн.), диэлектрические проницаемости (s), дипольные моменты (ц, D) и разности RI на стандартных полярных (полиэти-ленгликоли) и неполярных фазах (ARI).
Исходные растворы для газохроматографиче-ского анализа готовили по объему, смешивая 0.5 мл
изопропанола (d420 0.786), 50 мкл характеризуемого компонента и н-алканы С6—С8 (для определения индексов удерживания) в количествах 50, 50 и 100 мкл соответственно. Выбор пропанола-2 в качестве растворителя связан с его достаточно высокой температурой кипения (82.4°С) и, в то же время, малым индексом удерживания (486 ± 5), что не препятствует регистрации пика н-гексана, необходимого для определения RI. Концентра-
Таблица 1. Важнейшие физико-химические свойства аналитов, выбранных для выявления границ перегрузки хроматографической колонки
Соединение Мол. масса Т °C J кип' ^ ,20 d4 RT гч-Анеполярн. s ц, D ARI
Толуол 92 111 0.867 760 ± 9 2.39 ± 0.02 0.36 ± 0.04 290
Бутанол-1 74 118 0.810 658 ± 12 17.6 ± 0.2 1.68 ± 0.04 516
ДМФА 73 152 0.949 749 ± 16 37.1 ± 0.9 3.8 ± 0.1 577
ции растворов пересчитывали в массо-объемные единицы (мкг/мкл) с учетом относительных плотностей компонентов при комнатной температуре. Далее к исходным растворам последовательно (10 раз) прибавляли по 20 мкл характеризуемых компонентов. Рассматриваемая область ожидаемой перегрузки колонки была выявлена в предварительных экспериментах.
Условия газохроматографического анализа. Анализ растворов проводили на газовом хроматографе Хроматэк-Кристалл 5000.2 с пламенно-ионизационным детектором и капиллярной колонкой из плавленого кварца длиной 10 м, внутренним диаметром 0.53 мм, толщина пленки неподвижной фазы (BPX-1) 2.65 мкм в изотермических условиях (диапазон температур 100—120°С). Расход газа-носителя (азот) 5.1 мл/мин (линейная скорость 48.5 см/с), деление потока 6.4 : 1, температура испарителя 120°С, детектора — 150°С. Дозируемые количества всех образцов 1.0 мкл.
Обработка данных. Для оценки значений фактора асимметрии А* (отношения площадей двух частей хроматографических пиков, образуемых перпендикул
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.