1. Физико-химические основы хроматографии
С необходимостью разделения смеси веществ на индивидуальные компоненты приходится сталкиваться как эксперту-химику (физико-химику), так и эксперту-биологу, токсикологу, пищевику и некоторым иным специалистам.
Особое значение разделение смеси веществ приобрело в последние десятилетия в связи с проблемой создания современных экспертных методик исследования продуктов выстрела и взрыва, синтетических наркотических средств и психотропных веществ, ядовитых и сильнодействующих соединений, пищевых продуктов и спиртосодержащих жидкостей, горюче-смазочных материалов, синтетических и природных красителей, красок и лакокрасочных материалов, продуктов биологического происхождения и т. п. Расширение областей применения хроматографических методов в судопроизводстве продолжается непрерывно.Само по себе разделение сложной смеси на отдельные составляющие не вызывает особых трудностей у специалистов, если ее компоненты находятся в различных фазах. Но оно резко осложняется, если компоненты смеси образуют одну общую фазу. В этом случае исследователю приходится или изменять агре
гатное состояние отдельных компонентов (например, осаждать один из растворимых компонентов в осадок), либо применять иные химические, физические, физико-химические методы разделения. Такие широко используемые на практике аналитические методики разделения как дистилляция, кристаллизация, экстракция, адсорбция основаны на изменении фазового равновесия. В этих физико-химических процессах молекулы веществ, образующих смесь, переходят через границу раздела между фазами (например, между твердым телом и газом, между двумя жидкостями, газом и жидкостью и др.), стремясь к такому распределению, при котором в каждой из них устанавливается постоянная равновесная концентрация индивидуального вещества.
Если свойства компонентов исследуемой смеси близки, то необходимая степень разделения достигается многократным повторением элементарного акта разделения.
Но и в таких случаях полное разделение возможно лишь для простых (не более чем трехкомпонент-ных) систем. Более полного разделения можно достичь, если на эффект, вызываемый многократным установлением фазового равновесия, накладывается действие кинетического фактора внутреннего и межфазного массо-обмена. В этом случае через поверхность раздела фаз и лишь в одном направлении переносятся молекулы только одного конкретного вещества. Если разделение смеси производится в системах, где одна из фаз (подвижная) постоянно перемещается относительно другой (неподвижной), то захват молекул и выход их с поверхности раздела фаз осуществляется благодаря непрерывному перемещению подвижной фазы. Молекулы, выходящие из подвижной фазы, снова возвращаются в нее, попадая, однако, не в прежний элемент ее объема, а в новый.Если в процессе разделения фазовые переходы повторяются многократно, то можно получить высокую эффективность разделения. Так как фазовые переходы связаны с поверхностью раздела, подвижная и неподвижная фазы должны обладать возможно большей поверхностью соприкосновения. Кроме того, вследствие наличия диффузионных процессов, снижающих эффективность разделения, обе соприкасающиеся фазы должны иметь относительно небольшую толщину взаимодействующих слоев веществ.
В определенной мере перечисленные требования к фазовому равновесию выполняются в таком динамическом методе разделения многокомпонентной смеси веществ, который получил название хроматографического разделения.
Хроматографические процессы часто рассматриваются как серии последовательных экстракционных процессов; при этом могут быть разделены вещества с очень близкими свойствами, так как в ходе хроматог-рафического разделения одновременно происходят сотни и тысячи циклов экстракции.
Для оценки эффективности хроматографических процессов вводится понятие «высота, эквивалентная теоретической тарелке» (ВЭТТ). Разделение смеси веществ в хроматографической колонке подобно разделению на тарельчатых ректификационных колонках.
Эффективность той и другой принято измерять одинаково — числом теоретических тарелок. Под ВЭТТ в хроматографии обычно подразумевают такую толщину слоя, которая необходима для того, чтобы смесь, поступившая из предыдущего слоя, пришла в равновесие со средней концентрацией вещества в подвижной фазе данного слоя. То есть, в хроматографии это число характеризует меру размывания зоны индивидуального компонента при ее прохождении через слой сорбента. Чем больше число теоретических тарелок в колонке, тем меньшее размывание претерпевает зона компонента в слое сорбента и тем выше потенциальная способность колонки четко разделить многокомпонентную смесь. Хроматографическая колонка с величиной ВЭТТ, равной 1,0—0,8 мм, считается достаточно эффективной. Значение ВЭТТ является суммарной количественной характеристикой разделения веществ, но ее величина зависит от времени удерживания разделяемого вещества. Учет этих двух величин позволяет оценить возможности данной хроматографической колонки для разделения конкретной смеси веществ.Значение высоты, эквивалентное теоретической тарелке, не может служить характеристикой четкости хро-матографического разделения веществ. Чтобы эффективность разделения можно было сравнить, пользуются критерием, непосредственно характеризующим способность системы разделять компоненты. Наиболее подходящим для этого параметром является разделительная способность. Разделительная способность в отличие от ВЭТТ зависит как от селективности (разделение максимумов двух соседних пиков), так и от факторов, характеризующих качество выполнения разделения (ширина пика).