ОСНОВИ ХРОМАТОГРАФІЧНОГО МЕТОДУ АНАЛІЗУ

Сорбція (від лат. Sorbeo - «поглинаю») - поглинання твердим тілом або рідиною певної речовини з ОС. Розрізняють чотири види сорбції.

Абсорбція - поглинання якої-небудь речовини з ОС всією масою поглинає тіла (абсорбенту). Адсорбція - поглинання речовини з газової або рідкої середовища поверхневим шаром твердого тіла (адсорбенту) або рідиною. Хемосорбція - поглинання речовини твердими або рідкими сорбентами з утворенням хімічних сполук. Капілярна конденсація - освіту рідкої фази в порах і капілярах твердого сорбенту при поглинанні парів речовини.

По агрегатному стані фаз хроматографію поділяють на газову, рідинну і свсрхкрітічсскую флюидной. Газова хроматографія включає в себе газожидкостную і газо-твердофазних, рідинна - рідинно-рідинну, рідинно-твердофазних і рідинно-гелеву.

Газова - хроматографія, в якій рухома фаза знаходиться в стані газу або пари. Газорідинна - газова хроматографія, в якій нерухомою фазою служить рідина, нанесена на твердий носій. В її основі лежить абсорбція газів і парів, тобто поглинання рідиною. В цьому випадку колонка заповнена шихтою - пористими тілами, яка є носієм нерухомої фази (рідини), що абсорбує гази. Колонка являє собою металевий капіляр з внутрішнім діаметром 0,3-0,5 мм і довжиною 15-30 м, намотаний на котушку.

Рідинна - хроматографія, в якій рухомий фазою є рідина. Ситова (гельпронікающая або гельфільтраціонная) - варіант рідинної хроматографії, коли час виходу речовини з колонки залежить в основному від геометричних і дифузійних параметрів поділюваних макромолекул. Високоефективна рідинна хроматографія (ВЕРХ) - використання сорбентів з дуже невеликим розміром зерна (3-10 мкм), що забезпечує швидкий масоперенос при дуже високій ефективності поділу.

Флюидная хроматографія (надкритична) - коли процес протікає при надкритичних умовах, внаслідок чого газ-іосітель поводиться подібно рідини. В цьому випадку можна використовувати колонки і детектори, призначені для газової хроматографії. Щільність ж і растворяющая здатність реагентів наближаються до відповідних властивостей рідини.

По механізму взаємодії сорбенту і сорбата виділяють кілька видів хроматографії: розподільну , засновану на різниці в розчинності поділюваних речовин в нерухомій фазі (газорідинна хроматографія) або на відмінності в розчинності речовин в рухомою і нерухомою рідких фазах; іонообмінну - на різну здатність речовин до іонного обміну; сорбционную - на відмінності в адсорбіруемо- сти речовин твердим сорбентом; ексклюзіонную - на відмінності в розмірах і формах молекул поділюваних речовин; аффинную - на специфічних взаємодіях, характерних для деяких біологічних і біохімічних процесів.

За технікою виконання виділяють колоночную і площинну хроматографію, коли поділ проводиться на спеціальному папері (паперова хроматографія) або в тонкому шарі сорбенту (тонкошарова хроматографія).

За мети хроматографирования виділяють аналітичну, препаративну і промислову (виробничу) хроматографію. Аналітична - хроматографія, яка використовується для кількісного та якісного аналізу сумішей. Препаративна - високоефективний, найчастіше лабораторний метод отримання речовин в чистому вигляді, концентрування і виділення компонентів або фракцій з суміші. Аналітична реакційна газова хроматографія - метод, в якому поєднують хроматографічне розділення і визначення з хімічним або фізичним зміною складу суміші, причому всі ці стадії єдиного процесу (включаючи детектування) здійснюються в одному загальному потоці газу-носія. Проявітельного - хроматографія, при якій дискретно вводиться обмежена кількість суміші, що вимивається з хроматографічної колонки потоком безперервно проходить газу-носія, сорбирующегося слабкіше будь-якого з компонентів суміші. Екстракційна хроматографія - метод, в якому елементарним актом є екстракція компонентів суміші в органічну фазу, закріплену тонким шаром на інертному носії. Іонопарная (різновид екстракційної) хроматографія займає проміжне положення між ионообменной і адсорбційної (розподільчої або обращепо-фазної) хроматографії. Лігандная-обмінна хроматографія - метод, застосовуваний для поділу сполук, що містять донорні гетероатоми або кратні зв'язку. Він заснований на утворенні координаційних зв'язків між сорбентом і розділяються іонами або молекулами.

На рис. 5.1, а показана ідеалізована хроматограмма суміші двох речовин. По осі абсцис відкладено час хроматографирования (можна відкласти обсяг елюата), по осі ординат - аналітичний сигнал, що залежить від концентрації речовин в елюаті (відгук А).

ГОСТ 17567-81 визначає наступні основні параметри хроматографічного процесу.

Час утримування t R - інтервал часу від моменту введення проби в хроматографічну колонку до моменту виходу з неї визначається речовини максимальної концентрації. Значення t R не залежить від кількості проби, але залежить від природи речовини і сорбенту, а також щільності сорбенту і може змінюватися від колонки до колонки, t R = t m + t s , де t m , t s - час перебування речовини в рухомій і нерухомою фазах.

Відстань утримування l R - довжина відрізка діаграмної стрічки, відповідна часу утримування.

хроматограмма

Мал. 5.1. хроматограмма:

а - ідеалізована хроматограмма двох речовин (пік з Ьщ відповідає неутримуючими компоненту); б - вікно комп'ютера з хроматограммой

б

Утримуваний обсяг V R - обсяг газу-носія, що пройшов через колонку від моменту введення проби до моменту виходу визначається речовини максимальної концентрації, виміряний при тиску і температурі на виході колонки,

де V a - об'ємний витрата газу-носія при температурі і тиску на виході колонки.

Час перебування молекул досліджуваного з'єднання в газовій фазі залежить від частки пустот в насадок або капілярної колонці. У різних насадок колонках щільність набивання може змінюватися, в результаті буде змінюватися і величина часу утримування t R . Тому для характеристики істинної утримуючої здатності визначають величину наведеного часу утримування.

Наведене час утримування t ' R - інтервал часу від моменту виходу з колонки несорбирующимся речовини максимальної концентрації до моменту виходу визначається речовини максимальної концентрації,

Відносне утримування г - відношення приведеного часу утримування визначається компонента до наведеного часу утримування речовини порівняння,

де t Rcp - час утримування речовини порівняння; / Ср - відстань утримування речовини порівняння; 1 т - відстань утримування несорбирующимся речовини.

Параметри утримування, по суті, характеризують сорбционную здатність аналізованих сполук. Відмінність в сорбіруємості визначається різницею міжмолекулярних взаємодій «речовина - сорбент».

Будь-який процес розподілу речовини між двома фазами характеризується коефіцієнтом розподілу D

де С т і C s - концентрація речовини в рухомою і нерухомою фазах соответствен але.

Для поділу двох речовин необхідно, щоб D, * D 2 .

Коефіцієнт розподілу D пов'язаний з хроматографічних параметрами наступним чином:

де V s - обсяг рухомої фази колонки. Після ряду підстановок отримаємо

Виправлений обсяг утримування V R пов'язаний з D співвідношенням

Формули (5.6) та (5.7) вважають основними рівняннями хроматографії.

Ефективність хроматографічної колонки - це розрахункова величина, що характеризує ступінь розширення зони визначається речовини на виході колонки, вона пропорційна квадрату відносини часу утримування до ширини хроматографічного піку. Кількісно ефективність колонки можна оцінити числом теоретичних тарілок п і висотою, еквівалентній теоретичної тарілці II. Між цими параметрами існує співвідношення

Для ізотермічної хроматографії ефективність визначають за кількістю теоретичних тарілок п

де т 0 5 - ширина хроматографічного піку, виміряна на половині його висоти і виражена в одиницях часу; р 0 5 - ширина хроматографічного піку, виміряна на половині його висоти і виражена в одиницях довжини діаграми реєстратора.

Чим більше число теоретичних тарілок, тим ефективніше робота хроматографічної колонки. Їх число може становити від декількох сотень до декількох тисяч.

Межа виявлення хроматографічної колонки - найменший вміст контрольного речовини, яке визначається хроматографічним методом із заданою довірчою ймовірністю. Градуювальна хроматографічна характеристика - залежність вихідного сигналу від кількості що визначається компонента, що встановлюється досвідченим або розрахунковим шляхом і виражена у вигляді формул, таблиць або графіків. Таким чином, рід речовин визначають за часом утримування в колонці, а концентрацію - по площі піку.

Ідентифікацію поділюваних компонентів проводять переважно двома методами: з використанням речовин-свідків і часу утримування. Коли ці методи застосувати неможливо, для ідентифікації компонентів суміші використовують індекс утримування Ковача 1. Він характеризує утримування речовини X на колонці з певною нерухомою фазою при температурі t ° C щодо двох я-алканів з числом вуглецевих атомів п і п + р. Індекси утримування розраховують за допомогою лінійної інтерполяції логарифмів виправлених параметрів утримування при дотриманні умови t R ^ <t Rm <t R ( n + p y

На практиці застосовують такі методи розрахунку змісту компонентів: абсолютної градуювання (калібрування), внутрішньої нормалізації і внутрішнього стандарту. Всі вони засновані на вимірі параметрів піків на хроматограмі: їх площі або висоти. Найчастіше вимірюють площу піку (рис. 5.2).

Визначення площі піку на хроматограмі

Мал. 5.2. Визначення площі піку на хроматограмі

Кількість речовини, вимивається з колонки, можна знайти за площею під кривою елюювання:

де С - концентрація речовини; V - об'єм.

Площі піків на хроматограмі вимірюють інтегратором хроматографа. Це найбільш точний метод, так як помилка вимірювання площі піку становить менше 1%. При відсутності інтегратора площа піків S розраховують, вимірюючи їх висоту і ширину або полуширину. В цьому випадку похибки визначення площі піків досягають декількох відсотків:

де р - ширина піка у його заснування; р 1/2 - полушіріна піку; h - висота піку.

Підстава піку на хроматограмі зазвичай дещо розмито, тому на практиці вимірюють ширину піку р, а його полуширину p t / 2 - При такому способі розрахована площа піку менше його дійсної площі на кілька відсотків. До того ж піки на хроматограмі в тій чи іншій мірі несиметричні. Симетричність піків, що оцінюється, наприклад, на висоті, рівній 0,1 висоти піку, може враховуватися при розрахунку їх площі.

При хроматографування одночасно відбуваються поділ речовин і розмивання хроматографічних піків поділюваних речовин, що приводить до погіршення поділу.

Хроматографічне розділення засноване на селективності сорбенту і відмінності в термодинамічних властивостях хроматографіруемого речовин.

Поділ двох сусідніх піків характеризується дозволом R s

і селективність а

На рис. 5.3 показані хроматограми суміші двох речовин при різних ефективності колонки і селективності сорбенту.

Залежність ступеня поділу суміші двох речовин від ефективності колонки і селективності сорбенту

Мал. 53. Залежність ступеня поділу суміші двох речовин від ефективності колонки і селективності сорбенту:

а - висока селективність, але погана ефективність; б - висока ефективність, але погана селективність; в - висока ефективність, достатня селективність

Температура дуже сильно впливає на процеси хроматографічного розділення. З ростом температури збільшується середня швидкість руху молекул в парогазової фазі, в результаті чого зменшується різниця швидкостей між «тікають» і «відстаючими» частинками одного і того ж компонента. Зони поділюваних речовин (пік на хроматограмах) стають більш вузькими, менш розмитими. В цілому ефективність процесу поділу зростає. Правда, з ростом температури дещо знижується селективність хроматографічної колонки.

При порівняно низьких температурах (200-250 ° С) поділяють і визначають щодо легколетучие речовини: деякі вуглеводні, спирти, ефірні масла. При більш високих температурах (250-400 ° С) поділяють і визначають феноли, високомолекулярні спирти, жирні кислоти.

Обсяг введеної проби залежить від специфіки використовуваної методики і для рідких проб становить 0,1 - 1 мкл. При великому обсязі проби зазвичай знижується ефективність хроматографічної колонки.

Газохроматографічні колонки представляють собою металеві або скляні трубки (прямі, вигнуті, спіральні) з внутрішнім діаметром 0,1-5 мм і довжиною до декількох метрів (рис. 5.4). Вони бувають наповнені (насадок) і капілярні.

Наповнені колонки - металеві (часто - з нержавіючої сталі) або скляні трубки довжиною 1-5 м, з внутрішнім діаметром 1,5-5 мм, зазвичай вигнуті у вигляді спіралі. Ці трубки заповнюються насадкою - частинками твердої основи з нанесенням на їх поверхню тонкого шару нерухомої фази.

Капілярні колонки зазвичай представляють собою металеві або скляні (з кварцового скла) трубки. Нерухома рідина (вакуумна мастило) наноситься на внутрішню поверхню капіляра шляхом прокачування її розчину через капіляр і подальшого випаровування розчинника. Довжина капілярних колонок може становити від декількох десятків сантиметрів до кілька сотень метрів, внутрішній діаметр - від 0,1 до 0,6 мм. Капілярні колонки забезпечують більш високу ефективність розділення багатокомпонентних сумішей.

Хроматографічні колонки

Мал. 5.4. Хроматографічні колонки:

а - наповнені; 6 - капілярні

Як поглиначі-сорбентів використовують: оксиди кремнію (силікагель, тобто висушена желатінообразний двоокис кремнію) і алюмінію, фторуглероди (тефлон, поліхром), полістирол, цеоліти (алюмосилікати лужних і лужно-земельних металів), іонообмінні смоли - іоніти (органічні полімери, в макромолекулах яких містяться іонізовані атоми або групи атомів, здатні до іонного обміну), сополімери стиролу і дивинилбензола, а також скляні кульки, плавлений кварц, пісок, графитированная сажа (карбохром), кристали хлориду н трия і т.д. Оптимальний розмір зерен найчастіше коливається в межах 0,1-5 мм, питома поверхня може становити 100-1000 м 2 / г.

Нерухома фаза являє собою звичайну нелетючу, високо- киплячу, з низькою в'язкістю рідина різної полярності і хімічної природи - вуглеводні (гліколі або їх суміші) з числом вуглецевих атомів в ланцюгу від 10 до 30, полісілоксани (силікони), полигликоли (наприклад, поліетіленглікольадіпіпат) , поліефіри, аміди, аміни, жирні кислоти та ін.

Маса рідкої нерухомої фази зазвичай становить від 1 до 20% від маси твердого носія (найчастіше - від 5 до 10%).

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >