Выбор капиллярной колонки. Длина, диаметр, толщина фазы.
10.08.2023
Выбор длины, диаметра, толщины фазы осуществляется после выбора фазы.
Диаметр.
Диаметр колонки оказывает влияние на пять важных характеристик. Это эффективность, время удерживания, давление газа-носителя, расход газа-носителя и емкость.
Эффективность колонки (N) обратно пропорциональна диаметру колонны. Усредненные показатели эффективности, приведенные в таблице 1, показывают, что колонки меньшего диаметра имеют больше теоретических тарелок на метр.
| Диаметр колонки | Теоретические тарелки на метр |
| 0,10 | 12500 |
| 0,18 | 6600 |
| 0,20 | 5940 |
| 0,25 | 4750 |
| 0,32 | 3710 |
| 0,53 | 2240 |
Разрешение — это квадратный корень от числа теоретических тарелок (N). Следовательно, увеличение эффективности колонки вдвое теоретически увеличивает разрешение только в 1,41 раза (квадратный корень из 2), но реальные значения ближе к 1,2-1,3 раз. Поэтому колонки меньшего диаметра используются, когда разделение пиков невелико и требуется высокая эффективность колонки (т.е. узкие пики). На рисунке 1 показана разница в разрешении для двух колонок разного диаметра.
Удерживание вещества обратно пропорционально диаметру колонки при изотермических условиях. При программировании температуры изменение составляет 1/3-1/2 от изотермического значения. Диаметры колонки редко выбираются исходя из удержания. На рисунке 1 показана разница в удерживании для двух колонок разного диаметра.
Давление в колонке приблизительно является функцией, обратно пропорциональной квадрату радиуса колонки. Например, для колонки диаметром 0,25 мм требуется примерно в 1,7 раза большее давление, чем для колонки диаметром 0,32 мм той же длины. Давление в колонке резко увеличивается или уменьшается при изменении диаметра колонны. Обычно для анализа используются колонки диаметром 0,2 мм и более из-за очень высокого давления, необходимого для колонок меньшего диаметра.
Для систем ГХ-МС не подходят колонки с большим диаметром (больше 0,32мм обычно не применяются). Вакуум на выходе из колонки значительно снижает требуемое давление, такие условия трудно поддерживать. Кроме этого большие потоки сложнее откачивать, увеличиваются вложения на мощные насосы, поэтому в ГХ-МС системах используются колонки с диаметром 0,25мм и менее.
Расход газа-носителя при постоянном давлении увеличивается по мере увеличения диаметра колонки. Для оборудования, требующих больших потоков, обычно используются колонки большего диаметра. Например, с парофазным анализом используются колонки диаметром 0,32 или 0,53 мм, что позволяет использовать более высокие скорости потока.
Емкость колонки увеличивается по мере увеличения диаметра. Емкость также зависит от фазы, типа определяемых веществ и толщины пленки, но все же можно привести усредненные значения (диапазоны). В таблице 2 приведены диапазоны емкости колонок различных диаметров.
| Толщина фазы, мкм | Диаметр, мм | |||
| 0,18-0,20 | 0,25 | 0,32 | 0,53 | |
| 0,10 | 20-35 | 25-50 | 35-75 | 50-100 |
| 0,25 | 35-75 | 50-100 | 75-125 | 100-250 |
| 0,50 | 75-150 | 100-200 | 125-250 | 250-500 |
| 1,00 | 150-250 | 200-300 | 250-500 | 500-1000 |
| 3,00 | 400-600 | 500-800 | 1000-2000 | |
| 5,00 | 1000-1500 | 1200-2000 | 2000-3000 |
Основы выбора диаметра колонки:
- Используйте колонки диаметром 0,15, 0,18 или 0,25 мм, когда требуется более высокая эффективность. Эти же диаметры особенно хорошо подходят для систем ГХ-МС. Эти колонки имеют самую низкую емкость и требуют высокого давления газа-носителя.
- Используйте колонки диаметром 0,32 мм, когда требуется большая емкость. Они часто обеспечивают лучшее разрешение для ввода без разделения или больших объемов пробы (более 2 мкл), чем колонки 0,25 мм.
- Используйте колонки диаметром 0,53 мм, когда доступен только прямой ввод. Хорошо подходит для анализов с высоким расходом газа-носителя, режимов с продувкой и улавливанием (вариации анализа с криофокусировкой), системы парофазного анализа и термодесорбции. Колонки 0,53 мм обладают наибольшей емкостью.
Длина колонки.
Длина колонки влияет на три параметра которые можно выделить. Это эффективность, время удержания (время анализа) и давление газа-носителя.
Эффективность колонки пропорциональна длине колонки. Разрешение — это квадратный корень от числа теоретических тарелок. Ситуация, как и с диаметром колонки. Например, увеличение длины колонки вдвое (а значит, и эффективности) теоретически увеличивает разрешение в 1,41 раза (на практике значения ближе к 1,2-1,3 раза). Более длинные колонки используются, когда разделение пиков невелико и требуется высокая эффективность колонки (т.е. узкие пики). На рисунке 2 показана разница в разрешении для трех разных длин.
Время анализа пропорционально длине колонки при изотермических температурных условиях. Для условий температурной программы изменение составляет 1/3-1/2 от изотермического значения. Когда эффективность повышается за счет удлинения колонки, время анализа значительно увеличивается. На рисунке 2 показана разница в удерживании для трех разных длин.
Давление в колонке увеличивается почти пропорционально увеличению ее длины. Давление обычно не является проблемой, если только колонна не имеет очень малого или большого диаметра. Длинные колонны малого диаметра требуют высокое давление, а короткие широкого диаметра требуют очень низкого давления. Оба варианта могут быть ограничивающим фактором. Выбор газа-носителя также окажет влияние на давление в колонне.
Стоимость колонки напрямую связана с длиной. Увеличение длины вдвое почти удваивает цену. Когда эффективность повышается за счет удлинения колонки, стоимость колонны значительно увеличивается. При рассмотрении в сочетании с увеличением времени анализа удлинение колонки должно быть последним разумным вариантом повышения эффективности.
Основы выбора длины колонки:
- Начните с 25-30-метровых колонок, когда наилучшая длина неизвестна.
- Колонки длиной 10-15 метров хорошо подходят для образцов, содержащих вещества, которые очень хорошо разделяются или количество веществ очень мало. Для колонок очень малого диаметра используются более короткие длины, чтобы снизить давление, кроме этого, за счет высокой эффективности этих длин как правило достаточно.
- 50-60-метровые колонки (и более) следует использовать, когда разрешение невозможно другими способами (меньший диаметр, другая стационарная фаза, изменение температуры колонки). Лучше всего подходит для сложных образцов, содержащих большое количество веществ. Длинные колонки приводят к увеличению времени анализа и стоимости.
- Колонки большей длины используются редко. но иногда без них не обойтись, например детальный углеводородный анализ бензина (DHA) или жирно-кислотного состава масел (FAME) часто требует применения колонок 100м.
Толщина пленки (фазы).
Толщина пленки в колонке влияет на пять основных параметров: время удерживания, разрешение, унос фазы, инертность и емкость.
В изотермических условиях удерживание веществ прямо пропорционально толщине пленки. При программировании температуры изменение составляет 1/3-1/2 от изотермического значения. Колонки с более толстой пленкой используются для получения более высокой степени удерживания очень летучих растворенных веществ. Летучие вещества, обычно требующие криогенного охлаждения для достаточного разделения на тонких фазах, могут в достаточной степени удерживаться и разделяться на более толстых пленках при температурах около 30 °C. Переход на колонну с более толстой пленкой приводит к общему эффекту, обеспечивающему равное или большее удерживание при более высокой температуре колонки. Колонки с более толстой пленкой обычно используются для анализа летучих соединений, таких как растворители и некоторые газы. Колонки с более тонкой пленкой используются сильно удерживаемых веществ. Растворенные вещества с высокой степенью удержания могут быть элюированы на тонких пленках быстрее и (или) при более низкой температуре. Переход на колонну с более тонкой пленкой приводит к общему эффекту, обеспечивающему равное или меньшее удерживание при более низкой температуре колонки. На рисунке 3 показана разница в удерживании для двух пленок разной толщины.
Унос фазы из колонки увеличивается по мере увеличения толщины пленки. По этой причине верхние температурные пределы толстопленочных колонок могут быть ниже в сравнении с тонкими пленками.
Колонки с более толстой пленки более инертны.
Колонки с более толстой пленкой обладают более высокой емкостью. Когда одно вещество присутствует в значительно больших количествах, то можно получить широкий пик и плохое деление с соседним пиком. Переход на более толстую пленку может уменьшить уширение пика. В таблице 2 приведены типичные диапазоны емкости для различных толщин пленки.
Основы выбора толщины пленки в колонке:
- Для колонок диаметром 0,18-0,32 мм толщина пленки 0,18-0,25 мкм является средней или стандартной (т.е. не тонкой и не толстой) и используется для большинства анализов.
- Для колонок диаметром 0,53 мм толщина пленки 0,8-1,5 мкм является средней или стандартной (т.е. не тонкой и не толстой) и используется для большинства анализов.
- Колонки с толстой пленкой используются для разделения летучих веществ (например, легких растворителей, газов). Колонки с толстой пленкой более инертны и обладают большей емкостью. Колонки с толстой пленкой имеют более высокий унос фазы и сниженные верхние температурные пределы.
- Тонкопленочные колонки используются для минимизации удержания высококипящих растворенных веществ с высокой молекулярной массой (например, стероидов, триглицеридов, тяжелых фракций нефти). Тонкопленочные колонки менее инертны, имеют меньшую производительность и меньший унос фазы.
Если у Вас возникли вопросы с подбором колонки для решения задачи наша команда специалистов готова проконсультировать и подобрать нужное оборудование.
