Bagaimana Fase Gerak Mengalir Melalui Media Berpori Fase Diam?

Kecepatan linier fase gerak melalui media berpori yang berbeda mempunyai peranan yang penting untuk memahami terjadinya pelebaran puncak dalam kromatografi.

Kecepatan fase gerak dan laju alir fase gerak dalam kolom terbuka mempunyai hubungan sebagai berikut :

u_o adalah kecepatan fase gerak pada outlet kolom, F_c adalah laju alir volumetrik kolom dan A_c merupakan luas penampang kolom yang tersedia untuk fase gerak. Pada kolom packed (packed bed column) hanya sebagian luas penampang kolom yang tersedia untuk fase gerak, karena bagian yang lainnya ditempati oleh partikel fase diam.

Aliran fase gerak dalam kolom packed terjadi melalui ruang interstisial antar fase diam. Fase gerak yang terjebak dalam pori-pori fase diam sebagian besar tidak bergerak/mengalir. Aliran solut melalui pori-pori yang berisi fase gerak yang tidak mengalir ini secara signifikan memyebabkan pelebaran pita.

Kecepatan fase gerak dalam sistem kromatogafi dapat dideterminasikan sebagai panjang kolom dibagi dengan waktu retensi solut yang tidak ditahan dan terjebak dalam pori-pori fase diam (kecepatan rata-rata) atau panjang kolom dibagi dengan solut yang tidak ditahan dan tidak terjebak dalam pori-pori fase diam (kecepatan interstisial).

Profil aliran fase gerak dan perubahan kecepatan aliran pada setiap bagian kolom merupakan hasil dari gaya dorong yang digunakan untuk menginduksi sebagian besar aliran fase gerak untuk melewati sistem pemisahan (kolom). Gaya dorong ini dapat diidentifikasi sebagai gaya kapiler, pneumatik dan elektroosmotik.

Gaya kapiler bertanggung jawab pada transport fase gerak dalam kromatografi lempeng (kertas maupun lapis tipis). Gaya ini secara umum lemah dan menghasilkan kecepatan fase gerak yang semakin menurun dengan semakin jauhnya jarak migrasi dari titik awal migrasi.

Gaya kapiler tidak mampu untuk memimalkan pelebaran pita sehingga mengakibatkan:

1. pelebaran pita yang sebagian besar diakibatkan oleh difusi
2. jarak pengembangan untuk terjadinya pemisahan dalam kromatografi kertas dibatasi oleh kisaran kecepatan fase gerak yang dapat diterima dalam sistem kromatografi.
3. waktu pemisahan yang lama
4. potensi pemisahan pada kromatografi kertas lebih rendah daripada hasil perkiraan apabila menggunakan kecepatan fase gerak optimum yang konstan.

Transport pneumatik fase gerak umumnya ditemukan dakam kromatografi kolom. Fase gerak ditekan dari luar ke dalam kolom. Perbedaan tekanan sepanjang kolom memberikan gaya dorong untuk melawan resistensi aliran oleh fase diam dan bagian kolom yang lain. Dalam LC, hukum Darcy menjelaskan hubungan antara sifat-sifat fase gerak, fitur karakteristik kolom dan tekanan luar yang diperlukan untuk memperoleh kecepatan fase gerak yang dapat digunakan untuk pemisahan.

Hukum Darcy dinyatakan dengan rumus

u adalah kecepatan fase gerak; ΔP adalah penurunan tekanan sepanjang kolom; K_o adalah permeabilitas kolom; L adalah panjang kolom. Karena nilai minimum u diperlukan untuk kinerja kolom dan waktu pemisahan yang dapat diterima, dan penurunan tekanan kolom yang tersedia dipaksa pada batas yang lebih tinggi dengan pertimbangan material dan keamanan, maka terdapat kisaran batas nilai d_p²/L yang diperbolehkan yang dapat digunakan.

Oleh karena itu, suatu kondisi optimum antara waktu pemisahan dan efisiensi harus dapat dicapai, yang dihasilkan pada batas atas jumlah lempeng teoritis yang dapat dicapi untuk pemisahan yang cepat atau penggunaan waktu pemisahan yang lebih lama ketika jumlah lempeng teoritis yang sangat besar diperlukan dalam suatu peemisahan.

Sebagian besar aliran pada kondisi elektroforetik terjadi karena elektroosmosis. Pada dinding kolom atau permukaan partikel (kolom packed), lapisan ganda listrik dihasilkan dari adsorpsi ion dari fase gerak atau disosiasi gugus fungsional permukaan.

Counterion yang terdapat dalam lapisan ganda lebih melimpah jika dibandingkan dengan ion yang terdapat dalam cairan dan adanya pencukuran ladang listrik dari larutan terjadi hanya pada bagian yang sangat tipis dari lapisan ganda, mentransportkan fase gerak melewati kolom dengan profil aliran yang hampir sempurna.

Kecepatan sebagian besar aliran cairan dirumuskan

 

Dimana ε adalah konstanta dielektrik larutan, ξ adalah potensial zeta (potensial pada batas antara permukaan muatan dengan ujung depan dari bagian yang berdifusi dari lapisan ganda), E adalah kekuatan ladang listrik. Catatan bahwa tidak terdapat ketergantungan pada ukuran partikel dan panjang kolom; yang membatasi efisiensi total kolom ketika aliran didorong oleh gaya pneumatic.

Profil aliran pada tabung kosong dan kolom packed menggunakan gaya dorong pneumatik dan elektroosmosis

Panjang kolom dan diameter internal kolom, meskipun tidak dapat diperlakukan sebagai variabel tidak tergantung dalam MEKC dan CEC, tetapi berpengaruh melalui pemanasan Joule (Joule heating) dari elektrolit dan berpengaruh pada profil aliran fase gerak. Panas dihasilkan secara homogen melalui elektrolit, tetapi variasi temperatur sepanjang diameter kolom adalah parabolik. Perbedaan temperatur radial antara pusat kolom dan dinding kolom yang disebabkan oleh difusi sampel dan perbedaan kerapatan serta kekentalan pelarut sepanjang aliran menyebabkan pelebaran pita.