Хроматографический анализ

Для идентификации вещества по хроматограмме обычно используют стандартные образцы или чистые вещества. Сравнивают время удержива-ния неизвестного компонента tRx с временем удерживания tRCT известных веществ. Но более надежна идентификация по измерению относительного времени удерживания

tR(A)

tR(отн)= ____ (3.1.1).

tR(BC)

При этом в колонку сначала вводят известное вещество (внутренний стандарт) и измеряют время его удерживания tR(BC), затем хроматографически разделяют (хроматографируют) исследуемую смесь, в которую пред-варительно добавляют внутренний стандарт. Относительное время удер-живания определяют по формуле (3.1.1).

Количественный анализ

В основе этого анализа лежит зависимость высоты пика h или его пло-щади S от количества вещества. Для узких пиков предпочтительнее изме-рение h, для широких размытых - S. Площадь пика измеряют разными способами: умножением высоты пика (h) на его ширину (а1/2), измеренную на половине его высоты (рис 3.2.3); планиметрированием; с помощью ин-тегратора. Электрическими или электронными интеграторами снабжены современные хроматографы.

Для определения содержания веществ в пробе используют в основном три метода: метод абсолютной градуировки, метод внутренней нормализа-ции и метод внутреннего стандарта.

Метод абсолютной градуировки основан на предварительном опреде-лении зависимости между количеством введенного вещества и площадью или высотой пика на хроматограмме. В хроматограмму вводят известное количество градуировочной смеси и определяют площади или высота по-лученных пиков. Строят график зависимости площади или высоты пика от количества введенного вещества. Анализируют исследуемый образец, из-меряют площадь или высоту пика определяемого компонента и на основа-нии градировочного графика рассчитывают его количество.

Метод внутренней нормализации основан на приведении к 100% суммы площадей всех пиков на хроматограмме. Расчет массовой доли в % одного компонента проводят по формуле

KASA

w(a)% =________________ , (3.1.2)

KASa+KbSb+...K2Si

где К - поправочные коэффициенты, sa, sb, Si - площади пиков компонен-тов смеси.

Этот метод дает информацию только об относительном содержании компонента в смеси, но не позволяет определить его абсолютную величи-ну.

Метод внутреннего стандарта основан на сравнении выбранного па-раметра пика анализируемого вещества с тем же параметром стандартного вещества, введенного в пробу в известном количестве. В исследуемую пробу вводят известное количество такого стандартного вещества, пик ко-торого достаточно хорошо отделяется от пиков компонентов исследуемой смеси (рис. 3.2.3). Проводят анализ пробы с внутренним стандартом и рас-считывают количество определяемого вещества по формуле

k(a)h(a)

g(а)= ___________g(BC) (3.1.3)

K(BC)h(BC)

где g(A) - количество определяемого компонента А; h(A) - высота пика ком-понента A; g(BC)- количество внутреннего стандарта; h(BC) - высота пика внутреннего стандарта; к(A) и k(BC) - поправочные коэффициенты.

В последних двух методах требуется введение поправочных коэффици-ентов, характеризующих чувствительность используемых детекторов к анализируемым веществам. Для разных типов детекторов и разных ве-ществ коэффициент чувствительности определяется экспериментально.

В жидкостной адсорбционной хроматографии используется также ана-лиз фракций растворов, собранных в момент выхода вещества из колонки. Анализ может быть проведен различными физико-химическими методами.

Жидкостную адсорбционную хроматографию применяют в первую очередь для разделения органических веществ. Этим методом весьма ус-пешно изучают состав нефти, углеводородов, эффективно разделяют - транс- и цис- изомеры, алкалоиды и др. С помощью ВЖХ можно опреде-лять красители, органические кислоты, аминокислоты, сахара, примеси пестицидов и гербицидов, лекарственных веществ и других загрязнителей в пищевых продуктах.

3.2. Ионообменная хроматография

Ионообменная хроматография (ИХ) является разновидностью жидко-стной хроматографии и в аппаратурном оформлении ничем не отличается от других видов жидкостной колоночной хроматографии. В основе ионо-обменной хроматографии лежит процесс обмена между ионами анализи-руемого раствора (ПФ) и подвижными ионами того же знака ионообменника (НФ).

В качестве ионообменников или ионитов обычно используют синтети-ческие полимерные вещества, называемые ионообменными смолами. Они состоят из матрицы (R) и активных групп, содержащих подвижные ионы. В зависимости от знака обмениваемых ионов различают катиониты и аниониты. Катиониты содержат кислотные группы различной силы, такие как сульфогруппы, карбоксильные, оксифенильные. Аниониты имеют в своем составе основные группы, например алифатические или ароматиче-ские аминогруппы различной степени замещенности (вплоть до четвер-тичных).

Иониты могут находиться в Н-форме и ОН - форме, а также в солевой форме. В Н-форме катиониты и ОН- форме аниониты содержат способные к обмену ионы водорода и гидроксила соответственно, в солевых формах ионы водорода заменены катионами металла, анионы гидроксила - анио-нами кислот.

В зависимости от силы кислотных и основных групп в ионитах разли-чают сильнокислотные (R-SOзН) и слабокислотные (R-СООН) катиони-ты; сильноосновные (R-N(СНз)зОН) и слабоосновные (R-NНзОН).

Сильнокислотные и сильноосновные иониты способны к ионному об-мену в широком диапазоне рН.

Процесс ионного обмена протекает стехиометрично. Например:

R-SO3H+Na+=RSO3Na+H+

R(NНз)зОН+Сl-=R(NНз)зСl+ОН-

Это ионообменное равновесие характеризуется константой ионного обмена:

[H+][RSO3Na] [OH-][RN(CH3)3Cl

KH+/Na+=______________; KOH-/Cl-= _________________

[Na+][RSO3H] [Cl-][RN(CN3)3OH]

На основании констант ионного обмена построены ряды сродства ио-нов к данному иониту, позволяющие предвидеть возможности ионообмен-ных разделений.

В зависимости от сродства к фиксированным ионам неподвижной фазы разделяемые ионы перемещаются вдоль хроматографической колонки с различными скоростями; чем выше сродство, тем больше объем удержива-ния компонента. При разделении органических кислот и оснований важ-ную роль играет степень их диссоциации.

Для двух веществ, имеющих разные константы обмене, рассчитывают фактор разделения или коэффициент распределения, который характеризу-ет селективность ионита

KA

fa/b= ___ , (3.2.1)

KB

где fa/b - фактор разделения; KA; KB - константы ионного обмена веществ А и В. Чем больше фактор разделения, тем сильнее ионит удерживает ве-щество А.

Например, константы ионного обмена солей железа (III) и кобальта (II) на сильнокислотном катионите марки КУ-2 составляют 3726 и 286 соответственно.

3726

Тогда согласно формуле 7.2.1 получим: FFe3/Co2+ = ____=13.

286

Таким образом, можно сделать вывод, что катионит КУ-2 более селективен к ионам железа (III).

Важной количественной характеристикой ионитов является их обменная емкость. Полная обменная емкость определяется количеством эквива-лентов ионов, обмениваемых одним граммом сухого ионита. Чем больше обменная емкость, тем большую пробу можно ввести в колонку с ионитом.

При подготовке ионитов к работе их переводят в соответствующую форму. Так, для перевода катионита в Н-форму через колонку с набухшим ионитом пропускают раствор сильной кислоты, избыток которой отмыва-ют водой. Затем медленно пропускают раствор смеси ионов. Каждый ка-тион задерживается на ионите согласно своей сорбируемости. Далее про-пускают подходящий элюент. Например, катионы щелочных металлов легко элюируются 0,1 М HCl. При этом ионы водорода обмениваются на сорбированные катионы, которые вместе с раствором выходят из колонки в соответствии с константами ионного обмена. На выходе из колонки фракции собирают в отдельные сосуды и определяют содержание любым подходящим методом.

Иониты применяются для деионизации (обессоливания) воды, очистки сахарных сиропов от минеральных солей; в препаративной химии - для концентрирования растворов; для определения ионов железа (III), меди и свинца в вине; кальция и магния в молоке; различных металлов в биологи-ческих жидкостях. Кроме того, ионный обмен используют для перевода ионов в форму, удобную для количественного определения. Например, поваренную соль в рассоле можно определить, пропустив пробу через колон-ку с катионитом, и выделившуюся в эквивалентном количестве кислоту оттитровать щелочью:

R-SOзН+NaCI=R-SOзNa+НСl.

Ионообменную хроматографию применяют для разделения фенолов, карбоновых кислот, аминосахаров, пуриновых, пиримидиновых и других оснований. Часто иониты используют для предварительного разделения сложных смесей на менее сложные. На ионном обмене основано получе-ние ионитного молока для детского питания. Ионный обмен используют для очистки натуральных соков от ионов тяжелых металлов. Ионообмен-ные смолы применяют для получения ионообменных мембран.

3.3. Тонкослойная хроматография

Тонкослойная хроматография (ТСХ) является одним из наиболее про-стых и эффективных экспресс-методов разделения и анализа веществ в пищевых продуктах, биологических жидкостях и других объектах, не тре-бующих сложного оборудования. В то же время метод обладает высокой избирательностью и чувствительностью (низким пределом обнаружения). Этим методом можно определить 10-20 мкг вещества с точностью до 5-7%.

В зависимости от природы НФ тонкослойная хроматография может быть адсорбционной и распределительной. Наиболее широко применим в ТСХ первый вариант разделения.

Неподвижная твердая фаза (оксид алюминия, силикагель и др.) тонким слоем наносится на стеклянную, металлическую (алюминиевая фольга) или пластмассовую пластинку, закрепляется слой с помощью крахмала или гипса (иногда используют пластинки с незакрепленным слоем). Для хроматографирования могут использоваться готовые пластинки, выпускае-мые промышленностью, размером 5х15 или 20х20 см.

На расстоянии 2 см от края пластинки на стартовую линию с помощью микропипетки или микрошприца наносят пробы анализируемого раствора (диаметр пятен 3-5 мм). После испарения растворителя край пластинки помещают в стеклянную камеру, на дно которой налит растворитель (ПФ) в количестве, достаточном для образования слоя глубиной 0,5 см. Камеру закрывают крышкой.

Выбор растворителя (ПФ) зависит от природы сорбента и свойств ана-лизируемых соединений. Например, разделение хлорорганических пести-цидов на пластинке с силикагелем проводят в среде гексана. Часто приме-няют смеси растворителей из двух или трех компонентов. Так, при хроматографировании аминокислот используют смесь Н-бутанола с уксусной кислотой и водой, при анализе неорганических ионов - водные буферные растворы, создающие постоянное значение рН.

При хроматографировании растворитель движется снизу вверх (восхо-дящий вариант) вдоль слоя сорбента и с разной скоростью переносит ком-поненты смеси, что приводит к их пространственному разделению. После окончания хроматографического процесса пластинку вынимают из каме-ры, отмечают линию фронта растворителя (обычно около 10 см) и высушива-ют.

Если компоненты смеси окрашены, то они четко видны на пластине по-сле разделения. Неокрашенные соединения обнаруживают различными способами. Если пластину поместить в камеру с парами йода, то четко проявляются коричневые пятна для органических соединений с непредельными связями. Хроматограмму можно проявить, опрыскивая ее каким-либо реагентом, дающим с компонентами пробы окрашенные соеди-нения. В состав нанесенного слоя в готовые пластины часто вводят люми-нофор. При облучении такой пластины ультрафиолетовым (УФ) светом она флуоресцирует, а разделенные компоненты пробы видны в виде тем-ных пятен. Вещества, имеющие собственную флуоресценцию, также обна-руживают в УФ - свете (например, пестициды).

Идентификацию веществ на хроматограмме осуществляют по характе-ру окраски пятен, параметру удерживания Rf и с помощью стандартных веществ (свидетелей).

Величина Rf рассчитывается из экспериментальных данных по уравнению

l

Rf=__ , (3.3.1)

L

где l - расстояние от стартовой линии до центра пятна, L - расстояние, пройденное за это же время растворителем (рис. 3.3.1).

Рис. 3.3.1. Хроматограмма двухкомпонентной смеси

а - а: линия старта, в - в : линия фронта растворителя

При стандартных условиях величина Rf является постоянной величиной, характер-ной для данного соединения. Но практика показывает, насколько трудно создавать постоянство всех факторов, от которых зависит воспроизводи-мость значений Rf. На величину Rf влияет качество и активность сорбента, его влажность, толщина слоя, качество растворителей и другие факторы, не всегда поддающиеся достаточному контролю.

Рис. 3.3.2. Хроматограмма жира. I - полимеризованные и сильнополярные жиры; II - фосфолипиды, III - триглицериды 1 - говяжье мясо; 2 - свинина; 3 - свинина с 29% печени; 4 - свинина с 4% печени; 5 - свинина с 50% печени; 6 - свиная печень

Поэтому наряду с величиной Rf идентификацию проводят по “свидетелю”. Стандартное вещество (свидетель), наличие которого предполагают в анализируемой смеси, наносят на линию стандарта рядом с исследуемой пробой. Таким образом, стандартное вещество хроматографируется в тех же условиях. После хроматографирования и детекции пятен сравнивают величины Rf определяемого вещества и “свидетеля”.

Качественный анализ после разделения компонентов смеси методом ТСХ часто используют для определения состава пищевых продуктов. Так, на рис. 3.3.2 представлена хроматограмма жира, выделенного из мясного фарша различного состава. Хроматографирование проводили на пластинках с силикагелем в системе гександиэтиловый эфир (в соотноше-нии 3:1), пятна детектировали 10% раствором фосфорно-молибденовой кислоты, идентифицировали по голубому цвету зон на жел-том фоне пластинки. Как видно из хроматограммы, при данных условиях произошло разделение фосфолипидов и триглицеридов. По характерному составу компонентов мяса и печени можно сделать вывод о натуральности мясного фарша в пробах 1-2, и добавках к нему печени в пробах 3-5.

Страницы: 1, 2, 3