Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Проявление влияния динамической модификации неполярной фазы аналитами на их газохроматографические параметры удерживания Павловский Александр Александрович

Проявление влияния динамической модификации неполярной фазы аналитами на их газохроматографические параметры удерживания
<
Проявление влияния динамической модификации неполярной фазы аналитами на их газохроматографические параметры удерживания Проявление влияния динамической модификации неполярной фазы аналитами на их газохроматографические параметры удерживания Проявление влияния динамической модификации неполярной фазы аналитами на их газохроматографические параметры удерживания Проявление влияния динамической модификации неполярной фазы аналитами на их газохроматографические параметры удерживания Проявление влияния динамической модификации неполярной фазы аналитами на их газохроматографические параметры удерживания Проявление влияния динамической модификации неполярной фазы аналитами на их газохроматографические параметры удерживания Проявление влияния динамической модификации неполярной фазы аналитами на их газохроматографические параметры удерживания Проявление влияния динамической модификации неполярной фазы аналитами на их газохроматографические параметры удерживания Проявление влияния динамической модификации неполярной фазы аналитами на их газохроматографические параметры удерживания Проявление влияния динамической модификации неполярной фазы аналитами на их газохроматографические параметры удерживания Проявление влияния динамической модификации неполярной фазы аналитами на их газохроматографические параметры удерживания Проявление влияния динамической модификации неполярной фазы аналитами на их газохроматографические параметры удерживания Проявление влияния динамической модификации неполярной фазы аналитами на их газохроматографические параметры удерживания Проявление влияния динамической модификации неполярной фазы аналитами на их газохроматографические параметры удерживания Проявление влияния динамической модификации неполярной фазы аналитами на их газохроматографические параметры удерживания
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Павловский Александр Александрович. Проявление влияния динамической модификации неполярной фазы аналитами на их газохроматографические параметры удерживания: диссертация ... кандидата Химических наук: 02.00.02 / Павловский Александр Александрович;[Место защиты: ФГБОУ ВО Санкт-Петербургский государственный университет], 2017

Содержание к диссертации

Введение

2 Обзор литературных данных

2.1 Системы индексов удерживания 11

2.2 Температурная зависимость индексов удерживания 19

2.2.1 Линейная модель температурной зависимости индексов удерживания 20

2.2.2 Нелинейная температурная зависимость индексов удерживания 24

2.2.3 Аномальная температурная зависимость индексов удерживания 26

2.2.4 Попытки объяснения аномальной температурной зависимости 28

3 Экспериментальная часть 31

3.1 Свойства характеризуемых соединений 31

3.2 Приготовление образцов 34

3.2.1 Приготовление образцов для выявления аномалий зависимости газохроматографических индексов удерживания от температуры 36

3.2.2 Приготовление образцов для проверки возможности газохроматографического разделения энантиомеров на колонке с ахиральной фазой 38

3.2.3 Приготовление образцов для проверки возможности хромато-масс спектрометрического анализа энантиомеров на колонке с ахиральной фазой 40

3.2.4 Приготовление образцов для проверки возможности газохроматографического разделения энантиомеров на колонке с хиральной фазой 41

3.2.5 Приготовление двухкомпонентной тест-смеси для контроля инертности газохроматографической системы 42

3.2.6 Приготовление образцов для выявления границы перегрузки хроматографической колонки 44

3.3 Условия газохроматографического анализа 55

3.3.1 Условия газохроматографического анализа при выявлении аномалий зависимости RI(T) 55

3.3.2 Условия газохроматографического анализа при оценке перегрузки хроматографической колонки 56

3.3.3 Условия газохроматографического анализа двухкомпонентной тест-смеси для контроля инертности газохроматографической системы 56

3.3.4 Условия анализа для проверки возможности газохроматографического разделения энантиомеров на колонке с ахиральной фазой 56

3.3.5 Условия хромато-масс-спектрометрического анализа для проверки возможности разделения энантиомеров на колонке с ахиральной фазой 57

3.3.6 Условия газохроматографического анализа для проверки возможности разделения энантиомеров на колонке с хиральной фазой 57

3.4 Обработка результатов 57

3.4.1 Пример обработки результатов эксперимента при характеристике температурной зависимости индексов удерживания, RI(T) 61

3.4.2 Обработка результатов эксперимента при выявлении критериев перегрузки хроматографической колонки 67

4. Обсуждение результатов 71

4.1 Влияние дозируемого количества аналита на вид температурной зависимости индексов удерживания 77

4.2 Критерии перегрузки хроматографической колонки 84

4.2.1 Интерпретация зависимости индексов удерживания от дозируемых количеств аналитов 87

4.2.2 Критерии перегрузки, основанные на непосредственно измеряемых параметрах хроматографических пиков 92

4.2.2.1 Критерий, основанный на зависимости отношений высот пиков к их ширине на половине высоты от количества аналита в колонке 92

4.2.2.2 Критерий, основанный на зависимости асимметрии пиков от количества аналита в колонке 95

4.2.3 Сопоставление аномальной температурной зависимости индексов удерживания полярных соединений на неполярной фазе с областью перегрузки хроматографической колонки 97

4.2.4 Сопоставление аномальной температурной зависимости индексов удерживания полярных соединений на неполярной фазе с инертностью газохроматографической системы 99

4.3 Физико-химическая интерпретация аномалий температурной зависимости индексов удерживания 100

4.4 Разделение энантиомеров в ахиральной газохроматографической системе как проявление эффекта динамической модификации неподвижной фазы аналитами 109

5. Основные результаты и выводы 120

Список используемой литературы 122

Введение к работе

Актуальность: Индексы удерживания (ИУ, обозначение в формулах RI) – одна из известных (с 1958 г.) форм представления относительных хроматогра-фических параметров удерживания, на основе которых проводят идентификацию органических соединений. Использование таких инвариантов позволяет заменить сопоставление параметров удерживания идентифицируемых аналитов с данными для образцов сравнения операцией их сопоставления со справочными значениями индексов удерживания. Воспроизводимость индексов удерживания позволяет использовать эти параметры для хромато-спектральной идентификации компонентов сложных смесей без их препаративного выделения. Однако однозначность идентификации на основе одномерных аналитических параметров, к которым относятся хроматографические ИУ, определяется межлабораторной воспроизводимостью этих параметров.

Повышение надежности и однозначности хроматографической идентификации предполагает подробную характеристику всех факторов, определяющих разброс хроматографических индексов удерживания. Следовательно, выявление факторов, влияющих на разброс ИУ, относится к важнейшим и актуальным задачам хроматографии. Это и определило цель и основные задачи работы.

Настоящая работа посвящена обсуждению особенностей влияния динамической модификации неполярной неподвижной фазы неполярными и полярными аналитами на их параметры удерживания, что проявляется в необычных для газовой хроматографии эффектах: аномальной температурной зависимости газохроматографических индексов удерживания полярных соединений на неполярных фазах, а также в возможности частичного разделения энантиомеров на ахиральных фазах. Детальная характеристика особенностей и проявлений динамической модификации неповижной фазы потребовала рассмотрения некоторых родственных задач, в том числе вопросов массовой перегрузки и инертности хроматографических систем.

Цель работы: С позиций концепции динамической модификации неподвижной фазы хроматографической колонки аналитами охарактеризовать основные факторы, снижающие воспроизводимость параметров удерживания (прежде всего, газохроматографических индексов удерживания), в том числе аномалии температурной зависимости индексов удерживания, а также возможность частичного разделения нерацемических смесей энантиомеров с использованием ахиральных неподвижных фаз.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Охарактеризовать различные варианты температурной зависимости
индексов удерживания как одного из главного источника вариаций
газохроматографических индексов удерживания и снижения их

межлабораторной воспроизводимости;

2. Выявить перечень полярных соединений, для которых наблюдается
аномальная температурная зависимость ИУ в сравнении с «нормальной» темпе
ратурной зависимостью этих величин;

  1. Выявить и охарактеризовать вариации температурной зависимости га-зохроматографических индексов удерживания в зависимости от дозируемых количеств аналитов; а также провести сравнительную характеристику критериев оценки границ массовой перегрузки хроматографических колонок;

  2. Предложить физико-химическую интерпретацию аномальной температурной зависимости индексов удерживания полярных аналитов на неполярных неподвижных фазах с использованием основных закономерностей хроматографии;

  3. Охарактеризовать другие проявления динамической модификации неподвижной фазы аналитами в газовой хроматографии, а именно возможность частичного разделения энантиомеров на ахиральных фазах.

Научная новизна:

1. Выявлено и охарактеризовано влияние дозируемых количеств аналитов
на характер температурных зависимостей их индексов удерживания;

2. Для объяснения аномалий температурной зависимости
газохроматографических индексов удерживания использована концепция
динамической модификации неподвижной фазы разделяемыми аналитами;

3. Критически пересмотрены ранее известные и предложены модифици
рованные критерии выявления границ массовой перегрузки
хроматографических колонок;

  1. Предложена физико-химическая модель аномальной температурной зависимости индексов удерживания полярных аналитов на неполярных неподвижных фазах;

  2. На основании эффектов динамической модификации неподвижной фазы аналитами предсказана, объяснена и экспериментально подтверждена возможность частичного разделения нерацемической смеси энантиомеров на ахиральной фазе.

Практическая значимость работы:

  1. Предложены модифицированные критерии границ массовой перегрузки хроматографических колонок, более чувствительные к границе перегрузки, и обеспечивающие получение их воспроизводимых оценок для разных аналитов;

  2. Охарактеризованы особенности и проявления динамической модификации неполярной неподвижной фазы аналитами;

3. Подтверждена возможность частичного разделения нерацемической
смеси энантиомеров на ахиральной неподвижной фазе, обусловленная ее
динамической модификацией разделяемыми соединениями.

Положения выносимые на защиту:

1. Влияние дозируемых количеств полярных аналитов на неполярных фа
зах на вид температурных зависимостей их индексов удерживания, в том числе
изменение знака температурных коэффициентов индексов;

2. Модифицированные критерии массовой перегрузки
хроматографических колонок, обеспечивающие получение сопоставимых
значений границ перегрузки для разных аналитов;

3. Аномальная температурная зависимость индексов удерживания —
результат динамической модификации неполярной неподвижной фазы поляр
ными аналитами;

4. Физико-химическая модель динамической модификации неполярной
фазы полярными аналитами на основании основных закономерностей хромато-
графического удерживания;

5. Возможность частичного разделения энантиомеров в ахиральной
газохроматографической системе как проявление эффекта динамической
модификации неподвижной фазы аналитами.

Публикации и апробации работы: Основные результаты

диссертационной работы изложены в 8 статьях (8 статей в журналах, рекомендуемых ВАК, в том числе 6 в журналах, индексируемых в базе данных SCOPUS), и тезисах 9 докладов, в том числе: 38th International Symposium on Capillary Chromatography (Рива-дель-Гарда, Италия, 2014), XIV конференция «Физико-химические основы ионообменных и хромато-графических процессов (иониты-2014)», третий Всеросийский Симпозиум «Кинетика и динамика обменных процессов» (Воронеж, 2014), XV Congreso Latinoamericano de Cromatografia y Tecnicas Afines y VII Congreso Colombiano de Cromatografia (Картахена-де-Индиас, Колумбия, 2014), Всероссийская конференция «Теория и практика хроматографии» с международным участием, посвященная памяти проф. М.С. Вигдергауза (Самара, 2015), IX International conference of young scientists on chemistry „Mendeleev-2015” (Санкт-Петербург, 2015), IV Всероссийский симпозиум с международным участием «Кинетика и динамика обменных процессов» (Сочи, 2015), 40th International Symposium on Capillary Chromatography (Рива-дель-Гарда, Италия, 2016).

Структура и объем диссертационной работы: Диссертация состоит из введения, обзора литературных данных, экспериментальной части, обсуждения полученных результатов (10 разделов), заключения, содержащего основные выводы по работе, списка цитируемой литературы и приложения. Работа изложена на 152 страницах, содержит 30 рисунка и 27 таблиц. Список литературы включает 119 наименований.

Работа выполнена с использованием оборудования Ресурсного образовательного центра (РОЦ) по направлению «Химия» Института химии Санкт-Петербургского государственного университета. Автор выражает благодарность сотрудникам центра за оказанное содействие.

Линейная модель температурной зависимости индексов удерживания

В «классических» хроматографических методах аналитические сигналы -двумерные. Каждый хроматографический пик может быть охарактеризован двумя параметрами: площадью, которая пропорциональна количеству вещества, элюированного из колонки, и положением пика вещества на хроматограмме [временем удерживания, (tR)], которое отражает взаимодействие между сорбатом (аналитом) и сорбентом (неподвижной фазой). Это взаимодействие - основной источник информации о химической природе и структуре аналитов. Однако абсолютные времена удерживания сами по себе не информативны для химической интерпретации вследствие их сильной зависимости от условий анализа. В газовой хроматографии, например, эти условия включают в себя температурный режим, тип неподвижной фазы, толщину пленки неподвижной фазы (в капиллярных колонках), длину колонки, расход газа-носителя, градиент давления между входом и выходом хроматографической системы и другие факторы.

Характеристику аналитов в хроматографии только с помощью времен удерживания можно сравнить с процессом измерения температуры термометрами с разными произвольными шкалами либо даже и вовсе без каких-либо шкал. Поэтому стандартизацию хроматографических параметров удерживания можно отнести к важным проблемам.

Одно из возможных решений этой проблемы основано на полной межлабораторной стандартизации всех вышеперечисленных экспериментальных условий. Реализация так называемой RTL-концепции (концепции фиксации времен удерживания) стала возможной только с середины 1990-х годов. Второе, наиболее широко используемое решение, основано на пересчете данных, измеренных при разных условиях, в шкалу, характеризующуюся межлабораторной воспроизводимостью. Математический метод, используемый для такого пересчета, - линейная интерполяция - была известна задолго до появления самой хроматографии. Для значений пар функции (у) и аргумента (х) \ух{хх\у1{х1),…,уп{хп)], которые связаны между собой какой-либо функциональной зависимостью у = fix), мы можем оценить неизвестные значения у, которые находятся между известными значениями ук yt ук+\ из значения xt {хк xt хк+\) с помощью следующего отношения [1]: (У и r-yJ(x-xk) (2.1) у. = ук + A±i к х — X

В случае нелинейной либо неизвестной зависимости у = f{x) применение простой линейной интерполяции приводит к некоторой неопределенности в результатах. Однако, если уравнение для нелинейной зависимости известно, преобразование уравнения (2.1) в уравнение (2.2) может быть применено для устранения нелинейности. Этот подход дает результаты такой же точности, что и непосредственный расчет с помощью уравнения у = f{x) [1]: \ f(xj-f(xk) (2.2) У І = Ук +(Ук+і Ук) f(xk+1)-f(xk)j

Применение этой концепции в хроматографии требует введения некоторых дополнительных компонентов в анализируемые образцы с постулированными индексами удерживания [RI = f[tR)]. Их пики образуют «мобильную» систему координат для пересчета времен удерживания характеризуемых аналитов. Следовательно, введение любой системы индексов удерживания подразумевает следующее: — Выбор набора эталонных соединений (чаще всего они являются гомологами); — Приписывание этим соединениям стандартных значений RI; — Выбор формулы для расчета значений RI всех других аналитов. Первая система индексов удерживания была предложена Ковачем в 1958 [2] для изотермических условий газохроматографического анализа. Легкодоступные н-алканы н-СпН2п+2, которым присвоили значения RI = 100ис [например, метан (СН4) – 100; н-нонан (С9Н20) – 900 и т.д.] были рекомендованы как эталонные соединения. Поскольку при изотермических условиях газохроматографического анализа существует линейная зависимость логарифмов исправленных времен удерживания t R = tR – t0 (t0 – мертвое время хроматографической системы) от числа атомов углерода в молекуле гомолога lg t R = anC + b, а, так как по определению 100nC = RI, это означает существование следующей линейной зависимости: RI = a lg t R + b (2.3) Если мы выбираем ее как функцию y = f(x) в уравнении (2.2), мы придем к финальному уравнению системы индексов удерживания Ковача: і ls(t Rx)-ig(t m)\ (2.4) RIx=RIk+(RIkl-RIk) ls(tfSJt+1)-ig(tfSJ[)j где R k Rj R k+\ - исправленные времена удерживания реперных н-алканов с числом атомов углерода к и к+1, которые выходят из колонки непосредственно до ( k) и после (t Ml) целевого аналита ( k).

Поскольку основа формулы 2.4 представляет собой линейную зависимость (уравнение 2.3), становится возможным использовать времена удерживания реперных н-алканов, которые могут отличаться между собой не только одним, но и большим числом атомов углерода [т.е. RIk+m и RIk с временами удерживания tR,k+m и tRX, соответственно (в оригинальной публикации Ковача [2] было использовано т = 2)]. Если т = 1, уравнение (2.3) может быть записано в более простом виде: где k – число атомов углерода в н-алкане, который выходит из колонки перед характеризуемым соединением. Предложенная форма представления данных стала очень популярной в газовой хроматографии. К настоящему времени известно несколько тысяч ссылок на работу Ковача [2]. Значения RI пропорциональны свободным энергиям сорбции, это их термодинамическая интерпретация. Дальнейшее развитие концепции индексов удерживания было направлено на их приложение к неизотермическим условиям газохроматографического анализа. Для режимов линейного программирования температуры (которые характеризуются двумя переменными: начальной температурой (T0) и скоростью ее увеличения r (град/мин)) линейное соотношение (2.3) не сохраняется. В некоторых частных случаях другая линейная зависимость оказывается более приемлемой для аппроксимации времени удерживания: RI atR + b (2.6) Это является причиной для изменения формулы для расчета RI (набор реперных компонентов и значения их RI остаются теми же). Максимальное влияние на значения RI оказывает природа неподвижной фазы в хроматографической колонке. Использование этих параметров в качестве констант химических соединений (подобных другим физико-химическим константам таким как температура кипения, показатель преломления, плотность и т.д.) требует выбора стандартных фаз для их определения. В соответствии с критериями, наиболее часто используемых в практике, два типа фаз могут быть классифицированы как стандартные: — неполярные полидиметилсилоксаны [-Si(CH3)2-O-]n (максимальная рабочая температура 300 C) — полярные полиэтиленгликоли [-CH2CH2-O-]n (максимальная рабочая температура 225 C).

Приготовление образцов для выявления аномалий зависимости газохроматографических индексов удерживания от температуры

Попытки теоретической интерпретации наблюдаемого эффекта оказались неудачными [62] именно из-за невозможности объяснить появление минимумов зависимостей RI(T).

Тюдор повторно исследовала температурную зависимость индексов Ковача, используя парфюмерные соединения в качестве аналитов на неподвижной фазе SE-30. Она изучала линейное [63] и гиперболическое [53] уравнения, а также отношения между этими уравнениями [64]. В ходе исследований обнаружилось, что относительно узкий диапазон температур, как правило, применяемый для исследования температурной зависимости, [47, 53, 63] не позволяет выявить существование минимумов.

Судя по литературным данным, первое свидетельство минимума зависимости RI(T) наблюдалось Хеннигом и Энгевальдом для некоторых из выбранных С10-гидроксисоединений, определенных на колонке с неполярной неподвижной фазой (HP-5) [54]. Появление минимумов было объяснено предположением существования межфазных эффектов. Влияние изменения толщины пленки на RI (ниже 0.5 мкм), кажется, согласуется с этим предположением. Вклад межфазной адсорбции может влиять на удерживание С10-гидроксисоединений, например, за счет значительного поверхностного эффекта в случае 1-гептанола на сквалане при 80.8 С [65]. Адсорбция на границах раздела фаз, как правило, наблюдается для н-алканов на полярных неподвижных фазах [65-70] или для некоторых полярных соединений на неполярных фазах [65, 71, 72]. Однако, до сих пор не совсем ясно, почему адсорбция должна привести к минимуму в температурной зависимости RI.

Известно, что адсорбция влияет на значения хроматографических параметров удерживания [54, 71-77]. Ее влияние усиливается, если аналит плохо растворяется в неподвижной жидкой фазе. Таким образом, больших адсорбционных эффектов можно ожидать при анализе полярных веществ на неполярных неподвижных фазах [54, 71, 72] и, возможно, наоборот [74]. Как следствие, величины параметров удерживания зависят от толщины пленки неподвижных жидких фаз [54, 71-74]. Адсорбция находит более благоприятные условия с увеличением полярности растворенного вещества [72]. Как говорилось выше, Хеннинг и Энгевальд [54] обнаружили минимум температурной зависимости индексов Ковача для умеренно полярных соединений, проанализированных на неполярной неподвижной фазе, при этом они однозначно отнесли искажение индексов Ковача к адсорбции, однако без какой-либо ее количественной оценки.

Константы в уравнении Антуана (2.12) были рассчитаны для С10-гидроксисоединений, характеризующихся минимумом или почти линейной зависимостью RI(Т) [53]. Основные отличия наблюдались в константе B в уравнении (2.3): для соединений с минимумом константа B была немного меньше 0, в то время как в сравнении с цис-вербенолом и транс-пинокарвеолом, которые характеризуются почти линейной зависимостью RI(T), константа B была много меньше 0. Эмпирические константы уравнения Антуана, соответствующие соединениям Энгевальда, в гиперболической зависимости характеризовались большой погрешностью, поэтому минимум зависимости RI(T) не может быть описан с помощью гиперболы. [53].

Хебергер, Гордений и Ковальска наблюдали минимумы температурной зависимости RI(T) на неполярных фазах для первых членов гомологических рядов алифатических кетонов и альдегидов [56]. Они также экспериментально подтвердили существование минимума температурной зависимости RI(T) для таких сильнополярных соединений, проанализированных на неполярной фазе, как 1-нитроалканы и алаканонитрилы. Одна из целей работы [56] заключалась в нахождении термодинамического обоснования появления минимума и в установлении особенностей проявления минимумов зависимости RI(T).

Наблюдения того, что нитрометан не характеризуется значительной адсорбцией [78] в условиях газохроматографического анализа и что лишь незначительный эффект адсорбции наблюдался для 1-нитропропана на сквалане [67, 68] являются опровержением идеи о том, что минимум температурной зависимости RI(T) наблюдается за счет адсорбции. Отсутствие минимума температурной зависимости RI(T) на колонке Innowax свидетельствует о том, что стенка капиллярной колонки практически не оказывает существенного влияния на индекс удерживания, т.е. свойства поверхности не влияют на появление таких минимумов при указанной толщине пленки стационарной фазы – 0.5 мкм.

Таким образом, причина аномальной температурной зависимости в литературных источниках, доступных до начала нашей работы, не была установлена. Для объяснения этих аномалий нами впервые была привлечена концепция динамической модификации неподвижной фазы аналитами (см. разд. 4.3). При этом важно отметить, что авторы предшествующих исследований даже не предполагали возможного влияния дозируемых количеств аналитов на вид зависимостей RI(T), а считали априорно, что только химическая природа аналита и тип неподвижной фазы колонки являются основными факторами, определяющими ее характер. Нами было впервые продемонстрировано влияние дозируемого количества полярного аналита на вид зависимостей RI(T), а также трансформации аномалий зависимости RI(T) в возрастающие и убывающие зависимости за счет вариаций дозируемого количества полярного аналита (см. разд. 4.1) , что представляет собой существенные элементы новизны.

Приготовление образцов для выявления границы перегрузки хроматографической колонки

Для выявления границ массовой перегрузки хроматографической колонки было предложено несколько критериев, каждый из которых предполагает построение графика зависимости, где по оси абсцисс по точкам откладывают количество характеризуемого аналита, а по оси ординат либо непосредственно измеряемые параметры хроматографических пиков, либо индексы удерживания характеризуемого компонента. Задача всех экспериментов по выявлению критериев перегрузки газохроматографической системы заключалась в приготовлении образцов одинакового качественного, но разного количественного состава, с помощью которых удалось бы перекрыть набором точек (т.е. количеством добавок характеризуемых компонентов или степенью разбавления) заранее определенный диапазон концентраций по целевым компонентам и, главное, перекрыть диапазон количеств дозируемых аналитов. Соответственно, для грубой, но в то же время быстрой оценки границы перегрузки хроматографической колонки можно использовать небольшое количество точек, например, пять, а если нужно охарактеризовать этот же интервал концентраций более точно, то количество точек может быть увеличено до 10-20.

Иными словами, грубая оценка перегрузки хроматографической колонки подразумевает под собой небольшое количество добавок характеризуемых аналитов к исходному образцу большими порциями, а более точная оценка, которая перекрывает те же количества дозируемых аналитов, что и при грубой оценке, предполагает осуществление большого количества добавок малыми порциями. При этом для проверки одного из критериев перегрузки колонки — зависимости RI от массы дозируемого аналита (который в итоге оказался непригодным для практических целей, см. раздел 4.2.1), к исходному раствору проводили не только добавки характеризуемых компонентов, но и его разбавление с целью характеристики зависимости RI(m) в области разбавленных растворов. Для грубой оценки границ перегрузки хроматографической колонки на примере трех аналитов (толуол, 1-бутанол, N,N-диметилформамид) были приготовлены четыре образца.

К исходному образцу (XXVI), приготовленного путем смешения 1 мл изопропилового спирта, 100 мкл 1-бутанола, 100 мкл толуола и реперных н-алканов С6 – С8 в количествах 50, 50 и 100 мкл, соответственно, были сделаны последовательно пять добавок по 40 мкл каждого характеризуемого аналита. В таблице 3.8 приведены данные по концентрациям толуола и 1-бутанола (мкг/мкл), а также соответствующие им дозируемые количества (мкг) в зависимости от их добавок. Шесть точек этой таблицы перекрывают интервал концентраций от 57.9 до 135 мкг/мкл для 1-бутанола и от 61.9 до 144.5 мкг/мкл для толуола. Соответственно, интервал перекрытия дозируемых количеств 1-бутанола по данным таблицы 3.8 составляет от 4.0 до 9.3 мкг и от 4.2 до 9.9 мкг для толуола. Дополнительно в ходе этих экспериментов было проверено влияние присутствия стекловаты в лайнере испарителя хроматографа на получаемые результаты. Принципиальных отличий не было выявлено, однако воспроизводимость площадей пиков при дозировании одних и тех же проб в отсутствие стекловаты оказалась меньшей.

На примере полярного N,N-диметилформамида грубую оценку перегрузки хроматографической колонки проводили путем пяти его добавок по 40 мкл каждая к исходному образцу (XXVII). При этом образец (XXVII) был приготовлен путем смешения 1 мл изопропилового спирта, 50 мкл ДМФА и реперных н-алканов С6 – С8 в количествах 50, 50 и 100 мкл, соответственно. Таблица 3.8 Концентрации толуола и 1-бутанола в образце (мкг/мкл) и их количества в дозируемой пробе (мкг) в зависимости от номера добавки Номер добавки C(1-бутанола) в образце, мкг/мкл m(1-бутанола) в дозируемой пробе , мкг C(толуола) в образце, мкг/мкл m(толуола) в дозируемой пробе , мкг ) при дозируемом объеме 0.5 мкл и делении потока 6.3:1. Данные по концентрациям и дозируемым количествам ДМФА в образцах приведены в таблице 3.9. Шесть точек таблицы 3.9 перекрывают интервал концентраций ДМФА от 38.0 до 163.6 мкг/мкл, а соответствующий этому интервалу концентраций, интервал перекрытия дозируемых количеств ДМФА находится в пределах от 2.6 до 11.2 мкг.

Задачей следующих экспериментов при грубой оценке перегрузки хроматографической колонки на примере 1-бутанола и толуола являлась проверка характера графических зависимостей критериев перегрузки в области значительных дозируемых количеств характеризуемых аналитов. Поэтому интервал дозируемых количеств аналитов необходимо было сместить «правее» (в сторону больших значений) по сравнению с уже охарактеризованным интервалом, полученным в предыдущей серии экспериментов: [4.0 - 9.3] мкг для 1-бутанола и [4.2 - 9.9] мкг для толуола. Для этой цели был приготовлен исходный образец (XXVIII) путем смешения 0.5 мл изопропилового спирта, 50 мкл толуола, 50 мкл 1-бутанола и реперных н-алканов С6 – С8 в количествах 50, 50 и 100 мкл, соответственно. К образцу (XXVIII) последовательно (4 раза) добавляли по 200 мкл толуола и 1-бутанола (одновременно), после чего полученные образцы анализировали на газовом хроматографе с варьированием дозируемого объема от 2 до 6 мкл. Концентрации ДМФА в образцах (мкг/мкл), а также количества ДМФА в дозируемой пробе (мкг) в зависимости от номера добавки ) при дозируемом объеме 0.5 мкл и делении потока 6.3:1. Данные по концентрациям и дозируемым количествам толуола и 1-бутанола в образцах приведены в таблице 3.10. Шесть точек этой таблицы перекрывают интервал концентраций от 50.6 до 430 мкг/мкл для 1-бутанола и от 54.2 до 461 мкг/мкл для толуола. Соответственно, интервал перекрытия дозируемых количеств 1-бутанола по данным таблицы 3.10 составляет от 6.8 до 349 мкг и от 7.3 до 374 мкг для толуола.

Критерий, основанный на зависимости отношений высот пиков к их ширине на половине высоты от количества аналита в колонке

Термин «перегрузка», широко используют в хроматографии (особенно в препаративной), однако, как ни удивительно, до настоящего времени он не имеет однозначного определения и нередко воспринимается на сугубо интуитивном уровне. Проявление перегрузки обычно связывают с уширением и искажением формы пиков, а также с аномально выраженной зависимостью времен удерживания аналитов от их дозируемых количеств [100] (связь перегрузки с аномально выраженной зависимостью времен удерживания в наших экспериментах не подтвердилась, см. далее). Понижение температуры газохроматографического анализа полярных аналитов на неполярной фазе также приводит к искажению их пиков и к существенному возрастанию их асимметрии (при проявлении минимума зависимости RI(T) A уменьшается от 1.11 до 0.27, см. табл. 4.2 (II)). Поэтому для того чтобы проверить не связано ли проявление наблюдаемых аномалий зависимости RI(T) с перегрузкой хроматографической колонки, нам потребовалось провести оценку перегрузки используемой хроматографической колонки с применением существующих и специально разработанных нами критериев.

Эффективность хроматографического разделения резко снижается при так называемой «перегрузке» колонок, которая согласно тарелочной теории хроматографии проявляется тогда, когда начальная ширина хроматографических зон аналитов значительно превышает ВЭТТ. Причиной обусловленных перегрузкой эффектов является увеличение длины участков колонок, занимаемых хроматографическими зонами в момент дозирования, что приводит к искажению формы пиков [100]. Это может происходить в результате как объемной, так и массовой перегрузки [101]. За счет несоизмеримо большого объема дозируемой пробы относительно потока газа-носителя объемная перегрузка приводит к уширению пиков, но они при этом могут оставаться симметричными, так как высоты пиков меньше зависят от объема проб, чем положения их максимумов, которые смещаются в сторону больших значений времен удерживания [102]. Что касается массовой перегрузки, то она 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 газоадсорбционной хроматографии) времен удерживания. Максимальное дозируемое количество индивидуального вещества, не приводящее к появлению перегрузки колонки, в первом приближении пропорционально площади поперечного сечения колонки. Для более точной оценки максимальных количеств аналитов lim (m), дозирование которых еще не приводит к перегрузке колонок, рекомендовано использовать следующее соотношение [103, С. 73]: lim(m) kd5/2L1/2 = kd1d3/2L1/2, (4.6) где d – диаметр колонки, d1 – толщина пленки неподвижной фазы, = d1/d, L – длина колонки, k – размерный коэффициент пропорциональности, зависящий от химической природы аналита и неподвижной фазы.

Из-за сложностей оценок значений коэффициента k соотношение (4.6) более применимо не для абсолютных вычислений, а для сравнения границ перегрузки различных колонок.

Иная интерпретация эффектов массовой перегрузки заключается в следующем: если неподвижная фаза предельно насыщена определяемым компонентом, то он начинает выполнять функции неподвижной фазы, влияя как на свои собственные параметры удерживания [104], так и на удерживание других аналитов [105]. В обычной аналитической практике появление на хроматограммах сильно уширенных или искаженных по сравнению с остальными интенсивных пиков чаще всего визуально интерпретируют как результат значительной перегрузки колонки по этим компонентам. В общем случае это положение некорректно, поскольку некоторые соединения дают асимметричные пики на хроматограммах при любом их содержании в пробах (например, простейшие полярные алканкарбоновые кислоты RCO2H при использовании колонок с неполярными фазами). Поэтому для более точной оценки границы перегрузки хроматографической колонки необходимо использовать специиальные критерии для их выявления.

Один из таких критериев, известный из литературных источников, основан на зависимости отношений высот пиков (Я) и их площадей (S) при увеличении концентрации (с) аналитов в образцах (критерий I) [106]. При перегрузке колонки вместо постоянных отношений HIS наблюдается их зависимость от концентрации, HIS = Дс), а для аналогичной зависимости Ніс регистрируются отклонения от линейности.

Другой известный способ (критерий II) 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 (4.7)], 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 , измеряемой либо на половине высоты, либо в основании пика: 7V k(tR/ »)\ но S HtR и тогда7V- Щ/(#ш)]2 (4.7)

Нами был получен большой массив данных для целевых аналитов, содержащий значения времен удерживания, площадей, высот пиков характеризуемых аналитов, а также другие параметры, представленные в таблицах 3.18-3.20. Проверка известных из литературы критериев на примерах различных соединений показала, что их применение осложняется недостаточной чувствительностью к граничным эффектам перегрузки. При построении зависимости H/S = f(m) мы не обнаружили на графике каких-либо отчетливо выраженных аномалий, указывающих на граничные значения m, начиная с которой наблюдались бы эффекты перегрузки хроматографической колонки (с целью сокращения объема текста типичные монотонные зависимости H/S = f(m) для различных аналитов здесь не приведены и не обсуждаются). В связи с этим нам представлялось целесообразным модифицировать литературные критерии перегрузки хроматографической колонки и протестировать их на различных соединениях. Способы приготовления образцов с использованием заранее выбранных тест-соединений, а также алгоритм проведенных нами экспериментов по оценке границ перегрузки хроматографической колонки указаны в разделе 3.2.6. Условия газохроматографического анализа для оценки перегрузки хроматографической колонки приведены в разделе 3.3.2.