Хроматографический анализ

Хроматографический анализ

1

Содержание:

Введение………………………………………………………………………………………3

1. История вопроса ………………………………………………………………………….3

2. Классификация методов хроматографии ……………………………………………….4

3. Жидкостно-адсорбционная хроматография на колонке ……………………………….5

3.1. Высокоэффективная жидкостная хроматография …………………………………6

3.2. Ионообменная жидкостная хроматография ………………………………………..9

3.3. Тонкослойная хроматография ……………………………………………………..11

3.4. Хроматография на бумаге ………………………………………………………….13

3.5. Гельпроникающая (молекулярно-ситовая хроматография) ……………………...15

3.6. Газовая хроматография ……………………………………………………………..17

Заключение …………………………………………………………………………………..19

Список литературы ………………………………………………………………………….21

Введение

Хроматография - это физико-химический метод разделения и анализа смесей газов, паров, жидкостей или растворенных веществ сорбционными методами в динамических условиях. Метод основан на различном распре-делении веществ между двумя несмешивающимися фазами - подвижной и неподвижной.

Подвижной фазой может быть жидкость или газ, неподвижной фазой - твердое вещество, которое называют носителем. При движении подвиж-ной фазы вдоль неподвижной, компоненты смеси сорбируются на непод-вижной фазе. Каждый компонент сорбируется в соответствии со сродством к материалу неподвижной фазы (вследствие адсорбции или других меха-низмов). Поэтому неподвижную фазу называют также сорбентом. Захва-ченные сорбентом молекулы могут перейти в подвижную фазу и продви-гаться с ней дальше, затем снова сорбироваться.

Таким, образом, хроматографию можно определить как процесс, ос-нованный на многократном повторении актов сорбции и десорбции вещества при перемещении его в потоке подвижной фазы вдоль непод-вижного сорбента. Чем сильнее сродство компонента к неподвижной фа-зе, тем сильнее он сорбируется и дольше задерживается на сорбенте; тем медленнее его продвижение вместе с подвижной фазой. Поскольку компо-ненты смеси обладают разным сродством к сорбенту, при перемещении смеси вдоль сорбента произойдет разделение: одни компоненты задержат-ся в начале пути, другие продвинутся дальше. В хроматографическом про-цессе сочетаются термодинамический (установление равновесия между фазами) и кинетический (движение компонентов с разной скоростью) ас-пекты.

1. История вопроса

Хроматографический метод анализа разработан русским ботаником М.С.Цветом в 1903 г. С помощью этого метода ему удалось разделить хло-рофилл на составляющие окрашенные вещества. При пропускании экс-тракта хлорофилла через колонку, заполненную порошком мела, и промы-вании петролейным эфиром он получил несколько окрашенных зон и на-звал эти зоны хроматограммой (от греческого “хроматос” -- цвет), а метод - хроматографией. Н.А.Измайлов и М.С.Шрайбер в 1938 г. разработали новый вид хроматографии, получивший название тонкослойной. Ими были разделены алкалоиды, экстрагированные из лекарственных растений на оксиде алюминия, нанесенном на стекло.

Отправной точкой бурного развития многих методов хроматографического анализа является работа лауреатов Нобелевской премии A.Мартина и Р.Синджа, ими был предложен и разработан метод распределительной хроматографии (1941г.). В 1952 г. А.Мартином и Л.Джеймсом были получены первые результаты в области газожидкостной хроматографии. Эти работы вызвали огромное число исследований, направленных на развитие метода газовой хроматографии.

За короткое время были усовершенствованы конструкции систем ввода проб, созданы чувствительные детекторы. Метод газовой хроматографии - первый из хроматографических методов, получивших инструментальное обеспечение. Начиная с 70-х годов происходит бурное развитие жидкост-ной хроматографии. К настоящему времени разработаны теория хроматографического процесса и множество хроматографических методов анализа.

Среди разнообразных методов анализа хроматография отличается са-мой высокой степенью информативности благодаря одновременной реали-зации функций разделения, идентификации и определения. Кроме того, метод используется и для концентрирования. Хроматографический метод анализа универсален и применим к разнообразным объектам исследования (нефть, лекарственные препараты, вещества растительного и животного происхождения, биологические жидкости, пищевые продукты и др.). Хро-матография отличается высокой избирательностью и низким пределом об-наружения. Эффективность метода повышается при его сочетании с дру-гими методами анализа, автоматизацией и компьютеризацией процесса разделения, обнаружения и количественного определения.

2. Классификация методов хроматографии

Различные методы хроматографии можно классифицировать по агре-гатному состоянию фаз, механизму разделения, аппаратурному оформле-нию процесса (по форме) и по способу перемещения подвижной фазы и хроматографируемой смеси.

По агрегатному состоянию фаз различают жидкостную и газовую хроматографию.

Разделение веществ протекает по разному механизму, в зависимости от природы сорбента и веществ анализируемой смеси.

По механизму взаимо-действия вещества и сорбента различают сорбционные методы, основан-ные на законах распределения (адсорбционная, распределительная, ионо-обменная хроматография и др.), гельфильтрационные (проникающая хро-матография), основанные на различии в размерах молекул разделяемых веществ. На практике часто реализуются одновременно несколько меха-низмов разделения.

По технике выполнения хроматографию подразделяют на колоночную, когда разделение веществ проводится в специальных ко-лонках, и плоскостную: тонкослойную и бумажную. В тонкослойной хроматографии разделение проводится в тонком слое сорбента, в бумаж-ной - на специальной бумаге.

В зависимости от агрегатного состояния фаз, механизма взаимодейст-вия и оформления различают основные виды хроматографии, которые приведены в табл. 1.

Таблица 1

В соответствии с режимом ввода пробы в хроматографическую систему различают фронтальную, элюентную и вытеснительную хроматогра-фию. Если растворенную смесь непрерывно вводить в хроматографическую колонку, то в чистом виде можно выделить только одно, наиболее слабо сорбирующееся вещество. Все остальные выйдут из колонки в виде смеси. Этот метод называют фронтальным. В элюентном режиме через ко-лонку пропускают подвижную фазу (элюент), вводят пробу, затем снова пропускают подвижную фазу (ПФ). В процессе движения по колонке компоненты смеси разделяются на зоны. Эти зоны поочередно выходят из колонки, разделенные зонами чистого растворителя.

В вытеснительном методе после введения пробы и предварительного разделения слабоактивным элюентом состав элюента меняется таким обра-зом, что он взаимодействует с неподвижной фазой (НФ) каждого из ком-понентов анализируемой смеси. Вследствие этого новый элюент вытесняет компоненты, которые выходят из колонки в порядке возрастания взаимо-действия с НФ. В этом методе не достигается достаточно полное разделе-ние из-за частичного перекрывания зон.

Наибольшее распространение получил элюентный режим хроматографирования, позволяющий получать в чистом виде все компоненты пробы.

В жидкостной хроматографии применяют изократический и градиент-ный режим подачи элюента. В изократическом режиме состав элюента в течение анализа не изменяется, а в градиентном режиме состав элюента меняется по определенной программе.

Рассмотрим особенности отдельных наиболее широко применяемых видов хроматографии.

3. Жидкостно-адсорбционная хроматография на колонке

Разделение смеси веществ в адсорбционной колонке происходит в ре-зультате различия их в сорбируемости на данном адсорбенте (в соответст-вии с законом адсорбционного замещения, установленного М.С.Цветом).

Адсорбентами являются пористые тела с сильно развитой внутренней поверхностью, удерживающие жидкости с помощью межмолекулярных и поверхностных явлений. Это могут быть полярные и неполярные неорга-нические и органические соединения. К полярным адсорбентам относятся силикагель (высушенная желатинообразная двуокись кремния), оксид алюминия, карбонат кальция, целлюлоза, крахмал и др. Неполярные сор-бенты - активированный уголь, порошок резины и множество других, по-лученных синтетическим путем.

К адсорбентам предъявляют следующие требования:

- они не должны вступать в химические реакции с подвижной фазой и разделяемыми веществами;

- должны обладать механической прочностью;

- зерна адсорбента должны быть одинаковой степени дисперсности.

При выборе условий для хроматографического процесса учитывают свойства адсорбента и адсорбируемых веществ.

В классическом варианте жидкостной колоночной хроматографии (ЖКХ) через хроматографическую колонку, представляющую собой стек-лянную трубку диаметром 0,5 - 5 см и длиной 20 - 100 см, заполненную сорбентом (НФ), пропускают элюент (ПФ). Элюент движется под воздей-ствием силы тяжести. Скорость его движения можно регулировать имею-щимся внизу колонки краном. Анализируемую смесь помещают в верх-нюю часть колонки. По мере продвижения пробы по колонке происходит разделение компонентов. Через определенные промежутки времени отби-рают фракции выделившегося из колонки элюента, который анализируют каким-либо методом, позволяющим измерять концентрации определяемых веществ.

Колоночная адсорбционная хроматография в настоящее время приме-няется, главным образом не как самостоятельный метод анализа, а как спо-соб предварительного (иногда и конечного) разделения сложных смесей на более простые, т.е. для подготовки к анализу другими методами (в том числе и хроматографическими). Например, на колонке с окисью алюминия разделяют смесь токоферолов, пропускают элюент и собирают фракцию a-токоферола для последующего определения фотометрическим методом.

3.1. Высокоэффективная жидкостная хроматография

Хроматографическое разделение смеси на колонке вследствие медлен-ного продвижения ПФ занимает много времени. Для ускорения процесса хроматографирование проводят под давлением. Этот метод называют вы-сокоэффективной жидкостной хроматографией (ВЖХ)

Модернизация аппаратуры, применяемой в классической жидкостной колоночной хроматографии, сделала ее одним из перспективных и совре-менных методов анализа. Высокоэффективная жидкостная хроматография является удобным способом разделения, препаративного выделения и про-ведения качественного и количественного анализа нелетучих термола-бильных соединений как с малой, так с большой молекулярной массой.

В зависимости от типа применяемого сорбента в данном методе ис-пользуют 2 варианта хроматографирования: на полярном сорбенте с ис-пользованием неполярного элюента (вариант прямой фазы) и на неполяр-ном сорбенте с использованием полярного элюента - так называемая обращенно-фазовая высокоэффективная жидкостная хроматография (ОфВЖХ).

При переходе элюента к элюенту равновесие в условиях ОфВЖХ уста-навливается во много раз быстрее, чем в условиях полярных сорбентов и неводных ПФ. Вследствие этого, а также удобства работы с водными и водно-спиртовыми элюентами, ОфВЖХ получила в настоящее время большую популярность. Большинство анализов при помощи ВЖХ прово-дят именно этим методом.

Аппаратура для ВЖХ

Комплект современного оборудования для ВЖХ, как правило, состоит из двух насосов 3, 4 (рис.3.1.1), управляемых микропроцессором 5, и по дающих элюент по определенной программе. Насосы создают давление до 40 МПа. Проба вводится через специальное устройство (инжектор) 7 непо-средственно в поток элюента. После прохождения через хроматографиче-скую колонку 8 вещества детектируются высокочувствительным проточ-ным детектором 9, сигнал которого регистрируется и обрабатывается мик-ро-ЭВМ 11. При необходимости, в момент выхода пика автоматически от-бираются фракции.

Рис. 3.1.1. Схема современного жидкостного хроматографа

1,2 - сосуды с элюентами; 3, 4 - насосы; 5 контроллер;

6 - смесительная камера; 7 - инжектор; 8 - колонка; 9 - детектор;

10 - регистратор; 11 - блок автоматической обработки результатов анализа; 12 -- коллектор фракций; 13- термостат

Колонки для ВЖХ выполняют из нержавеющей стали с внутренним диаметром 2-6 мм и длиной 10-25 см. Колонки заполняют сорбентом (НФ). В качестве НФ используются силикагель, оксид алюминия или мо-дифицированные сорбенты. Модифицируют обычно силикагель, внедряя химическим путем в его поверхность различные функциональные группы.

Детекторы. Регистрация выхода из колонки отдельного компонента производится с помощью детектора. Для регистрации можно использовать изменение любого аналитического сигнала, идущего от подвижной фазы и связанного с природой и количеством компонента смеси. В жидкостной хроматографии используют такие аналитические сигналы, как светопоглощение или светоиспускание выходящего раствора (фотометрические и флуориметрические детекторы), показатель преломления (рефрактометри-ческие детекторы), потенциал и электрическая проводимость (электрохи-мические детекторы) и др.

Непрерывно детектируемый сигнал регистрируется самописцем. Хроматограмма представляет собой зафиксированную на ленте самописца по-следовательность сигналов детектора, вырабатываемых при выходе из ко-лонки отдельных компонентов смеси. В случае разделения смеси на внеш-ней хроматограмме видны отдельные пики. Положение пика на хроматограмме используют для целей идентификации вещества, высоту или пло-щадь пика - для целей количественного определения.

Качественный анализ

Рис.3.1.2. Параметры хроматограммы

Важнейшие характеристики хроматограммы - время удерживания tr и связанный с ней удерживаемый объем -- отражают природу веществ, их способность к сорбции на материале неподвижной фазы и, следовательно, при постоянстве условий хроматографирования являются средством иден-тификации вещества. Для дан-ной колонки с определенными скоростью потока и температу-рой время удерживания каждо-го соединения постоянно (рис), где tR(a) - время удерживания компонента А анализируемой смеси с момента ввода в колонку до появления на выходе из колонки максиму-ма пика, tR(BC) - время удерживания внутреннего стандарта (первоначально отсутствующее в анализируемой смеси вещество), h - высота пика (мм), a1/2 -- ширина пика на половине его высоты, мм.

Страницы: 1, 2, 3