Хроматография представляет собой метод физико-химического разделения компонентов смеси, основанный на различиях в их распределении между подвижной и неподвижной фазами. Процесс разделения обусловлен динамическим равновесием между этими фазами, что приводит к различной скорости миграции компонентов через систему.
Подвижная фаза может быть газообразной или жидкой и обеспечивает перенос анализируемых веществ через неподвижную фазу. Неподвижная фаза выполняет роль селективного сорбента, обеспечивая различную степень удерживания компонентов смеси за счёт адсорбционных, растворительных или ионообменных взаимодействий.
Адсорбционная хроматография основана на различной силе адсорбции компонентов на поверхности неподвижной фазы. Более сильное взаимодействие с сорбентом замедляет движение вещества, а более слабое ускоряет его миграцию.
Распределительная хроматография использует различное растворение компонентов в неподвижной фазе (обычно жидкой), нанесённой на инертную твердую матрицу. Эффективность разделения определяется коэффициентами распределения вещества между фазами.
Ионообменная хроматография основана на селективном взаимодействии ионов анализируемого вещества с ионообменной смолой неподвижной фазы. Сила удерживания зависит от заряда и радиуса ионов, а также от состава элюента.
Гель-фильтрационная (сепарационная) хроматография разделяет вещества по молекулярной массе. Макромолекулы, не проникая в поры геля, проходят быстрее, а низкомолекулярные соединения задерживаются внутри пор.
Хиральная хроматография используется для разделения энантиомеров и основана на различной стереоселективности взаимодействия компонентов с хиральной неподвижной фазой.
Разделение компонентов можно описать с помощью теории зон (пакетной теории). Смесь разделяется на зоны, каждая из которых представляет собой область преимущественного содержания одного вещества. Ширина зоны зависит от диффузии и кинетики массопереноса.
Эффективность колонны характеризуется числом теоретических тарелок N, которое определяется формулой:
$$ N = \frac{16 (t_R)^2}{W^2} $$
где tR — время удерживания компонента, а W — ширина пика на половине высоты. Большое число тарелок свидетельствует о высокой разрешающей способности системы.
Разрешающая способность Rs между двумя пиками определяется как:
$$ R_s = \frac{2(t_{R2} - t_{R1})}{W_1 + W_2} $$
где tR1 и tR2 — времена удерживания двух компонентов, W1 и W2 — их ширины на половине высоты. Значение Rs > 1, 5 обеспечивает количественное разделение.
Разделение определяется не только равновесием, но и скоростью переноса вещества между фазами. Основные факторы, влияющие на эффективность:
Модель равновесных тарелок предполагает мгновенное достижение равновесия между фазами в каждом элементе колонны. Это упрощает расчёт эффективной длины и числа тарелок.
Модель переноса с диффузией (Van Deemter) учитывает влияние диффузии и массового переноса на эффективность. Уравнение Van Deemter:
$$ H = A + \frac{B}{u} + C \cdot u $$
где H — высота теоретической тарелки, u — линейная скорость подвижной фазы, A — эффект несовершенной насадки, B — диффузионное расширение, C — сопротивление массовому переносу.
Разделение в хроматографии определяется различиями в:
Эти свойства определяют как термодинамическое распределение, так и кинетику перемещения веществ, обеспечивая селективность хроматографической системы.
Современные подходы учитывают неидеальность фаз, турбулентные эффекты и молекулярные взаимодействия, что особенно важно в высокоэффективной жидкостной и газовой хроматографии. Модели молекулярного транспорта позволяют прогнозировать пики сложных смесей и оптимизировать параметры колонн для аналитических и preparative целей.
Эффективность систем определяется сочетанием термодинамических различий, кинетики массопереноса и геометрии колонны, что позволяет достигать высокой селективности и чувствительности анализа.