Выбор колонок для газовой хроматографии: основные параметры

Длина колонки оказывает непосредственное влияние на три основных хроматографических показателя: эффективность колонки, величину удерживания (время анализа) и давление газа-носителя.

• Эффективность (теоретические тарелки)
  Эффективность колонки, обычно определяемая теоретическим числом тарелок (N) или числом тарелок на метр (N/м), увеличивается пропорционально длине. Разрешение разделения пропорционально квадратному корню из N/м (т.е. удвоение длины колонки теоретически увеличивает разрешение в √2 раза (приблизительно в 1,41)). Длина капилляров обычно составляет 15 м, 30 м, 50 м и 60 м.
  Короткие (15 м) колонки идеально подходят для быстрого скрининга простых смесей или аналитов с очень высокой молекулярной массой; колонки длиной 30 м представляют собой отраслевой стандарт для общих применений, а колонки длиной 50–60 м служат для сложных смесей, где требуются максимальная эффективность и острые пики.
• Время удержания и анализа
  В изотермических условиях время удерживания аналита обратно пропорционально длине колонки: более длинные колонки обеспечивают пропорционально большее время элюирования. Даже в экспериментах с программируемой температурой увеличение длины колонки может значительно увеличить продолжительность анализа.
  Таким образом, хотя более длинные колонки и повышают эффективность, они также увеличивают продолжительность анализа.
• Давление и стоимость газа-носителя
  Давление напора, необходимое для прокачки газа-носителя через колонку, растёт практически прямо пропорционально её длине. Увеличение массы неподвижной фазы в более длинной колонке создаёт большее сопротивление (в частности, большее количество уносимых побочных продуктов), но не снижает её эффективности. Стоимость, как правило, увеличивается с увеличением длины колонки: удвоение её длины практически удваивает цену. Следовательно, любое повышение эффективности за счёт увеличения длины должно компенсироваться увеличением времени анализа и более высокими расходами на колонку.

1. Неизвестная оптимальная длина : начните разработку метода с колонки длиной 25–30 м, чтобы найти баланс между скоростью и разрешением.
2. Простые смеси или небольшое количество целевых компонентов : выбирайте колонки длиной 10–15 м, чтобы ускорить анализ, особенно при использовании форматов с малым диаметром для снижения давления напора.
3. Сложные многокомпонентные образцы : если альтернативные стратегии (уменьшенный диаметр, другая неподвижная фаза, увеличенная толщина плёнки или модифицированная температурная программа) не позволяют добиться желаемого разделения, рассмотрите колонки длиной 50–60 м. Эти более длинные колонки отлично подходят для сложных матриц, но за счёт увеличения времени анализа и высокой стоимости.
   Особым примером для сложных многокомпонентных образцов является определение жирных кислот и трансжирных кислот в пищевых продуктах, где стандарты, такие как GB 5009.168-2016 и GB 5009.257-2016 , рекомендуют использовать колонки длиной 100 м (высоко)полярные из-за большого количества жирных кислот, некоторые из которых являются изомерами и цис-транс-вариантами.

Внутренний диаметр капилляра (ВД) влияет на пять параметров: эффективность, удерживание, давление, скорость потока газа-носителя и емкость образца.

• Эффективность (Н/м)
  Эффективность колонки на метр увеличивается с уменьшением диаметра; более узкие внутренние диаметры обеспечивают большее количество тарелок на единицу длины, что улучшает разрешение. Теоретически, удвоение эффективности увеличивает разрешение в √2 раза, хотя на практике выигрыш часто составляет 1,2–1,3×. В случаях, когда важны острота пика и максимальная эффективность, часто выбирают меньшие внутренние диаметры (например, от 0,18 до 0,25 мм).
• Удержание
  При постоянной длине и толщине плёнки коэффициент удерживания обратно коррелирует с диаметром: меньший внутренний диаметр может немного увеличить коэффициент удерживания. Однако аналитики редко выбирают диаметр колонки исключительно по коэффициенту удерживания; вместо этого они используют повышенную эффективность колонок с узким диаметром для достижения эквивалентного разделения за более короткое время.
• Требования к давлению
  Давление на входе обратно пропорционально квадрату радиуса. Колонка с внутренним диаметром 0,25 мм при той же длине, газе-носителе и температуре требует примерно в 1,7 раза большего давления на входе, чем колонка с внутренним диаметром 0,32 мм. Таким образом, колонки с узким диаметром требуют более высокого входного давления.
• Расход газа-носителя
  В атмосферных условиях объёмный расход увеличивается с увеличением диаметра колонки. Методы и системы с высокой пропускной способностью, такие как автодозаторы с продувкой и ловушкой или парофазные автодозаторы, используют больший внутренний диаметр (0,45–0,53 мм) для поддержания повышенного расхода газа-носителя. В свою очередь, приборы ГХ-МС обычно работают при низких расходах и обычно используют колонки с внутренним диаметром ≤ 0,25 мм.
• Емкость образца
  Емкость колонки для образца увеличивается с диаметром, но также зависит от неподвижной фазы, свойств аналита и толщины пленки.

Толщина пленки неподвижной фазы определяет удерживание, разрешение, унос, инертность и емкость.

• Удерживание в изотермических и температурно-программируемых условиях
  В изотермических экспериментах коэффициент удерживания напрямую зависит от толщины плёнки. При программировании температуры коэффициенты удерживания обычно уменьшаются до одной трети (1/3) или половины (1/2) от изотермических значений; толстые плёнки усиливают удерживание летучих аналитов. Тонкие плёнки снижают удерживающую способность менее летучих соединений, что позволяет ускорить элюирование или проводить эксперименты при более низких температурах.
• Разрешение (селективность)
  Аналиты с низкими коэффициентами удерживания (K < 2) трудно разделяются; переход на более толстые плёнки повышает значения K, увеличивая разрешение. Степень прироста разрешения зависит от начального значения K: наиболее эффективно изменение K в диапазоне 2–10. Для пиков с K > 10 дальнейшее удерживание часто приводит к снижению или даже к отрицательному результату в разрешении.
• Пределы утечки и температуры
  Более толстые пленки демонстрируют повышенный унос неподвижной фазы, что потенциально снижает максимальные рабочие температуры.
  Увеличение толщины плёнки приводит к усилению удерживания, в результате чего элюируемые позднее вещества переносятся в область с более интенсивным уносом, что снижает чувствительность и качество количественного определения. Это чаще встречается при количественном определении следовых количеств.
• Инертность
  Более толстый слой неподвижной фазы обеспечивает лучшую защиту аналитов от взаимодействия со стенками капилляра и фитингами, уменьшая адсорбцию или химические реакции.
• Емкость образца
  Емкость плёнки увеличивается с толщиной, позволяя выдерживать более высокие нагрузки образца без искажения пиков. Толстые плёнки помогают уменьшить уширение пиков, размытие фронта и хвоста пиков при высоких концентрациях аналита.

1. Летучие аналиты : используйте толстые плёнки (например, > 0,5 мкм) для максимального удержания растворителей и газов. Учитывайте повышенное унос и снижение теплового предела.
2. Высококипящие или нелетучие соединения : используйте тонкие плёнки (например, ≤ 0,1 мкм) для стероидов, триглицеридов и других высокомолекулярных аналитов, чтобы минимизировать время удерживания. Тонкие плёнки уменьшают унос, но их инертность ниже, а ёмкость меньше.
   Пример: Минеральные масла имеют высокую температуру кипения, поэтому тонкие плёнки позволяют ограничить выпотевание, сохраняя при этом достаточную удерживающую способность. Такие стандарты, как SN/T 4895-2017, рекомендуют толщину плёнки 0,1 мкм для определения содержания минерального масла в пищевых имитаторах.