Выбор хроматографической капиллярной колонки. Выбор фазы.
08.08.2023
Часто перед хроматографистом встает вопрос о выборе капиллярной колонки и ответ на него не всегда очевиден. Повезло, если в методике указана рабочая капиллярная колонка, но бывают ситуации, когда указанная разработчиком метода колонка не оптимальна, или в методике предлагается насадочная, или методики нет совсем. Как выбрать колонку в таком случае?
Выбор фазы колонки
Выбор наилучшей фазы является наиболее важным решением при выборе капиллярной колонки. К сожалению, это также самое сложное и неоднозначное решение. Наиболее надежным методом является ознакомление с большой коллекцией примеров применения, предоставленных производителями колонок, производителями хроматографов и опубликованных данных в литературе (статьи и описания). Хотя точный пример решения поставленной задачи может быть недоступен, обычно можно получить достаточно информации, чтобы упростить выбор или уменьшить количество потенциальных колонок. Выбор стационарной фазы значительно упрощается, даже если доступна только одна хроматограмма для большинства исследуемых соединений.
Понятия селективности и полярности фазы очень полезны при выборе. Синонимичное использование терминов "полярность" и "селективность" неточно, но оно очень распространено. Селективность определяется физико-химическими взаимодействиями молекул растворенного вещества со стационарной фазой. Полярность определяется структурой стационарной фазы. Полярность действительно влияет на разделение; однако, это лишь одно из многих свойств стационарной фазы, влияющих на разделение пиков.
Селективность.
Селективность можно рассматривать, как способность неподвижной фазы различать две молекулы растворенного вещества по различиям в их химических или физических свойствах. Разделение достигается, если взаимодействия между неподвижной фазой и растворенными веществами различны. Для самых популярных фаз полисилоксаны и полиэтиленгликоли существуют три основных взаимодействия: дисперсионное, дипольное и взаимодействие через водородные связи. Ниже приводится упрощенное и сжатое объяснение взаимодействий для стационарных фаз полисилоксана и полиэтиленгликоля.
Дисперсионное взаимодействие является доминирующим для всех стационарных фаз полисилоксана и полиэтиленгликоля. Дисперсию можно упростить до понятия летучести. Проще говоря, чем более летучее растворенное вещество, тем быстрее оно элюируется из колонки (т.е. сокращается время удерживания). Однако этот порядок может быть изменен под влиянием полярности растворенного вещества и стационарной фазы, а также других взаимодействий. Точки кипения веществ иногда используются в качестве показателя летучести соединений. То есть соединения элюируются в порядке повышения температуры кипения. К сожалению, точки кипения не могут быть универсально применены. Они вполне допустимы, когда имеешь дело с соединениями со сходной структурой, функциональными группами или гомологичными рядами. При работе с соединениями со смешанными функциональными группами упрощение определения температур кипения часто не позволяет предсказать порядок выхода компонентов. (рис. 1.1, рис. 1.2).
Вещества элюируются в порядке возрастания их температур кипения, однако, пики не распределяются пропорционально их соответствующим температурам кипения.
| Названия компонентов | Температуры кипения, °С |
| 1. н-Декан (C10) | 174 |
| 2. н-Ундекан (C11) | 196 |
| 3. н-Додекан (C12) | 216 |
| 4. н-Тридекан (C13) | 234 |
| 5. н-Тетрадекан (C14) | 253 |
| 6. н-Пентадекан (C15) | 268 |
| 7. н-Гексадекан (C16) | 287 |
| Названия компонентов | Температуры кипения, °С |
| 1. Толуол | 111 |
| 2. Гексанол | 157 |
| 3. Фенол | 182 |
| 4. н-Декан (C10) | 174 |
| 5. Нафталин | 219 |
| 6. н-Додекан (C12) | 216 |
Если температуры кипения соединений различаются более чем на 30°C, они как правило могут быть разделены большинством фаз и идентифицированы по температурам кипения, но есть исключения. Если температуры кипения соединений отличаются менее чем на 10°C, то идентификация по температурам кипения становится менее достоверной и повышается вероятность ошибки (за исключением соединений одного гомологического ряда).
Если стационарная фаза способна к дипольному взаимодействию, это увеличивает ее способность разделять растворенные вещества, дипольные моменты которых различны. Только некоторые стационарные фазы способны использовать это взаимодействие. Полиэтиленгликоли, а также цианопропил и трифторпропилзамещенные полисилоксаны легко подвергаются дипольным взаимодействиям; метил- или фенилзамещенные группы нет.
| Функциональная группа | Дисперсионные взаимодействия | Дипольные взаимодействия | Водородные связи |
| Метил | Сильные | Отсутствуют | Отсутствуют |
| Фенил | Сильные | Отсутствуют | Слабые |
| Цианопропил | Сильные | Очень сильные | Средние |
| Трифторпропил | Сильные | Средние | Слабые |
| Полиэтиленгликоль | Сильные | Сильные | Средние |
Разделение пиков для веществ с разными диполями часто меняется, если используется фаза с другим взаимодействием. Если разница в диполях между соединениями невелика, требуется большее количество соответствующей группы, чтобы достичь разделения (например, 88%-цианопропильной в колонке HP-88).
Для колонок с дипольным взаимодействием трудно предсказать величину изменения разделения для всех пиков. Исследования показали, что стационарные фазы дипольного взаимодействия хорошо подходят для веществ имеющие различные функциональные группы с выраженным дипольным моментом. Примерами могут служить FAME, пестициды, летучие галогенорганические соединения, наркотические препараты и т.д.
Взаимодействие водородных связей происходит, если существует водородная связь между молекулами вещества и неподвижной фазой. В таблице 3 перечислены типы соединений, которые могут образовывать водородные связи, а также их относительная прочность. Решающее значение имеет прочность водородных связей. Те же самые стационарные фазы, которые подвергаются дипольным взаимодействиям, также подвергаются взаимодействиям по водородным связям.
| Сила | Классы соединений |
| Сильные | Спирты, амины, карбоновые кислоты |
| Средние | Альдегиды, сложные эфиры, кетоны |
| Слабые практически отсутствуют | Углеводороды, галогенорганические соединения, простые эфиры |
Трудно точно предсказать величину изменения разделения для всех пиков. Иногда достигается желаемое разделение, но другой набор компонентов теперь совместно элюируется на новой фазе.
Фаза 100% метилполисилоксан не подвергается взаимодействию водородных связей. Изменение порядка вымывания гексанола и фенола на колонке WAX (полиэтиленгликоль) является комбинацией взаимодействия дипольных и водородных связей.
Полярность.
Полярность стационарной фазы определяется полярностью замещенных групп и их относительным количеством. В таблице 4 перечислены различные фазы в порядке возрастания их полярности.
| Низкая полярность | |
| 100% метилполисилоксан (CR-1, RTX-1, DB-1, HP-1, HP-1ms, CP-Sil 5CB, MXT-2887, MXT-1 и т.д.) | 5% фенил 95 метилполисилоксан (CR-5, CR-5ms, RTX-5, DB-5, HP-5, HP-5ms, CP-Sil 8CB, Rxi-5ms и т.д.) |
| Средняя полярность | |
| 6% цианопропил 94 диметилполисилоксан (Rtx-624, ZB-624, DB-624 и т.д.) | 50% цианопропилфенил диметиполисолоксан (DB-225, SP-2330, Rtx-225, BP-225, CP-Sil 43 CB и т.д.) |
| 35% фенил метилполисилоксан (Rtx-35, Rtx-35ms ZB-35, DB-35ms и т.д.)) | 14% цианопропилфенил диметиполисолоксан (DB-1701, SPB-1701, Rtx-1701, BP-10, ZB-1701, CP-Sil 19 CB и т.д.) |
| 50% фенил метилполисилоксан (DB-17, Rtx-50, ZB-50, SP-2250, Rxi-17Sil MS и т.д.)) | |
| Высокая полярность | |
| цианопропилфенилсилоксан (SP-2560, SP-2340, SP-2330, BPX-70, BPX-90, HP-88, DB-23) специальзированные колонки для FAME очень много модификаций фаз | Полиэтиленгликоль (ПЭГ, WAX) (DB- WAX, , Stabilwax, BP-20, Rtx-WAX, ZB-WAX, ZB-WAX plus и т.д.) |
| ПЭГ модифицированный нитротерефталевой кислотой (FFAP) (HP-FFAP, Stabilwax-DA, BP21 и т.д. ) | |
| TCET (CP-TCEP, Rt-TCEP) |
Полярность часто ошибочно используется для выбора колонок или определения характеристик разделения. Полярность стационарной фазы - лишь один из многих факторов, влияющих на удержание и разделение. Хотя полярность напрямую не связана с селективностью, она оказывает выраженное влияние на удерживание соединения и, следовательно, на разделение. Для соединений с аналогичной летучестью достигается большее удерживание веществ с полярностью, аналогичной стационарной фазе. Другими словами, полярные соединения более прочно удерживаются полярной стационарной фазой. Этот эффект можно увидеть на рисунке 4.
Изменения в порядке удерживания и элюирования могут быть в значительной степени объяснены изменениями полярности стационарной фазы. Изменения в количестве фенилзамещения, а также взаимодействия дипольных и водородных связей также вносят свой вклад в эти изменения; однако трудно оценить величину их индивидуального вклада. В дополнение к удержанию, полярность стационарной фазы влияет на другие характеристики колонки. Существует общая тенденция между полярностью стационарной фазы и сроком службы колонки, температурными ограничениями, эффективностью. Срок службы колонки, температурные ограничения и эффективность, как правило, выше для более неполярных стационарных фаз. Это общие тенденции, но есть и исключения.
Понимание принципов разделения позволяет подобрать наилучшую колонку. Абсолютно точно определить фазу колонки для решения той или иной задачи только понимая принципы работы сложно, эти знания позволяют делать выбор осознано. На основании вышеизложенного можно сформулировать некоторые правила выбора фазы.
- Если нет информации или идей о том, какую стационарную фазу использовать, начните с неполярной 100% метилполисилоксан или 5% фенил 95 метилполисилоксан.
- Колонки с низким уносом фазы (часто имеют аббревиатуру в названии ms) обычно более инертны и имеют более высокие температурные ограничения.
- Для активных соединений и соединений в ультранизких концентрациях следует использовать колонки с лучшей инертностью, например Rxi вместо RT (для колонок Restek), Ultra Inert вместо DB-1, DB-5 (для колонок Agilent).
- Используйте наименее полярную стационарную фазу, которая обеспечивает удовлетворительное разделение и время анализа. Неполярные фазы имеют более длительный срок службы по сравнению с полярными фазами.
- Используйте фазу с полярностью, аналогичной полярности анализируемых веществ. Этот подход чаще срабатывает, чем нет, однако с помощью этого метода не всегда удается найти наилучшую фазу.
- Если плохо разделенные вещества обладают различными диполями или прочностью водородных связей, перейдите в стационарную фазу с другим количеством (не обязательно большим) взаимодействия диполей или водородных связей. При изменении стационарной фазы могут возникать проблемы с другими компонентами, таким образом, новая фаза может не обеспечить лучшего общего разрешения.
- Для анализа газовых проб можно рассмотреть возможность использования PLOT колонок.
Выбрав фазу своей будущей колонки, переходим к выбору длины, диаметра, толщины фазы. Эти параметры очень важны и позволяют обеспечить лучшую скорость анализа и достаточное деление.
