Ефективність хроматографічного розділення. Теорія еквівалентних тарілок

Основним параметром, що визначає розмивання компонентів при їх проходженні через колонку, є ефективність.

Під ефективністю в хроматографії розуміють здатність системи опиратися розмиванню хроматографічних піків речовин, що розділюються. Вона характеризує якість колонки. Ефективність колонки тим вище, чим вужчий пік, і вимірюється числом теоретичних тарілок.

Ефективність розділення речовин за лінійної неідеальної хроматографії залежить від багатьох факторів, зокрема від термодинамічних (коефіцієнти розподілу), кінетичних (дифузія молекул у рухомій та нерухомій фазах), динамічних (швидкість потоку рухомої фази, розмір зерен сорбенту та щільність його упакування, розміри колонки тощо). Задовільний опис процесу хроматографічного розділення речовин у цьому разі можна отримати, поєднавши окремі положення теорії еквівалентних тарілок А.Мартіна, дифузної теорії Ван Деємтера та критерій розділення А.Жуховицького і Н.Туркельтауба.

Згідно концепції теоретичних тарілок хроматографічну колонку представляють як ряд дискретних, дотичних горизонтальних шарів, на яких миттєво встановлюється рівновага між нерухомою і рухомою фазами, і акт сорбції-десорбції речовини повторюється багаторазово на кожному шарі.

Шар сорбента, необхідний для того, щоб розчин, який надійшов з попереднього шару, прийшов в рівновагу з середньою концентрацією розчиненої речовини в рухомій фазі цього шару, називається теоретичною тарілкою, а висота цього шару (Н) називається висотою, еквівалентною теоретичній тарілці (ВЕТТ), її виражають найчастіше в мм. Число теоретичних тарілок n і ВЕТТ (Н) – величини, які кількісно характеризують процес розмивання хроматографічної зони певної речовини, тобто ефективність роботи хроматографічної колонки. H (ВЕТТ) є мірою ефективності роботи колонки. Роздільна здатність хроматографічної колонки збільшується зі зменшенням ВЕТТ.

Якщо загальна довжина колонки l, то вона складається з n теоретичних тарілок:

.

При однаковій довжині колонок l ефективнішою є та, яка має більше тарілок n і, відповідно, меншу величину Н. Чим менша BETT, тим менше розмивання піка і тим вища ефективність розділення. Система вважається ефективною, якщо 1 м колонки має 1000 теоретичних тарілок, тобто при Н = 1 мм. Збільшуючи в два рази довжину колонки, ми збільшуємо ступінь розділення в N разів.

Згідно з теорією еквівалентних тарілок названі параметри можна розраховувати за рівняннями:

де V_r– об’єм утримування, мл, W– ширина кривої елюювання в нижній частині в основі, також виражена відповідно мл, W_0,5 – ширина кривої елюювання на половині висоти, мл.

Якщо крива елюювання зареєстрована в координатах або “С – t”, то рівняння набувають вигляду:

Якщо крива елюювання зареєстрована в координатах “С – l”, то рівняння набувають вигляду:

де l_r– відстань утримування, мм або см, Wтакож виражена відповідно у мм або см.

Слід зазначити, що висота Н, еквівалентна теоретичній тарілці (ВЕТТ), мало залежить від значень коефіцієнтів Генрі (коефіцієнтів розподілу), але значно залежить від фізичних умов хроматографування, зокрема від температури, розміру зерен сорбенту та щільності його упакування в колонці, коефіцієнтів дифузії сорбату в розчині та у фазі сорбенту, швидкості потоку рухомої фази тощо. Тому величину H для даної колонки можна визначити на підставі кривої елюювання практично будь-якої речовини за умови V_r > V₀.

BETT може змінюватися в широких межах. Наприклад, для звичайних колонок, які заповнені твердим адсорбентом і працюють за атмосферного тиску, BETT становить декілька міліметрів. Мікроколонки для рідинної хроматографії, в яких адсорбент щільно упакований і які працюють в умовах підвищеного тиску, характеризуються величинами BETT порядку 0,1 мм і менше. Такі колонки використовують у високоефективній рідинній хроматографії.

Величинам H і n не можна надавати якого-небудь фізичного сенсу. Це умовні параметри, хоча за їх допомогою зручно описувати ефективність колонки.

Слід зазначити, що ефективність колонки менше впливає на розділення, ніж селективність і коефіцієнт ємності, тим не менш підвищенню ефективності надається велике значення.