Хроматография. Виды анализаторов
Хроматография (от греч. chroma, chromatos – цвет, краска) – физико-химический метод разделения и анализа смесей, основанный на распределении их компонентов между двумя фазами – неподвижной и подвижной (элюент), протекающей через неподвижную. Хроматографический анализ является критерием однородности вещества. Если каким-либо хроматографическим способом анализируемое вещество не разделилось, то его считают однородным (без примесей).
Принципиальным отличием хроматографических методов от других физико-химических методов анализа является возможность разделения близких по свойствам веществ. После разделения компоненты анализируемой смеси можно идентифицировать (установить природу) и количественно определить (массу, концентрацию) любыми химическими, физическими и физико-химическими методами.
Хроматографический метод анализа был впервые применен русским ученым-ботаником Михаилом Семеновичем Цветом в 1900 г. Он использовал колонку, заполненную карбонатом кальция, для разделения пигментов растительного происхождения. Первое сообщение о разработке метода хроматографии было сделано Цветом 30 декабря 1901 г. на XI съезде естествоиспытателей и врачей в Санкт-Петербурге. Первая печатная работа по хроматографии была опубликована в 1903 г., в журнале "Труды варшавского общества естествоиспытателей". Впервые термин "хроматография" появился в двух печатных работах Цвета в 1906 г., опубликованных в немецком журнале "Berichte der Deutschen Botanischen Gesellschaft". В 1907 г . Цвет демонстрирует немецкому ботаническому обществу образец хроматографа – прибора для осуществления процесса хроматографии. В 1910–1930 гг. метод был незаслуженно забыт и практически не развивался. В 1952 г. Дж. Мартину и Р. Синджу была присуждена Нобелевская премия по химии за создание метода распределительной хроматографии. С середины XX в. и до наших дней хроматография интенсивно развивалась и стала одним из самых широко применяемых методов анализа.
Хроматография применяется в лабораториях и в промышленности для качественного и количественного анализа многокомпонентных систем, контроля производства, особенно в связи с автоматизацией многих процессов, а также для препаративного (в том числе промышленного) выделения индивидуальных веществ (например, благородных металлов), разделения редких и рассеянных элементов.
В некоторых случаях для идентификации веществ используется хроматография в сочетании с другими физико-химическими и физическими методами, например с масс-спектрометрией, ИК-, УФ-спектроскопией и др. Для расшифровки хроматограмм и выбора условий опыта применяют ЭВМ.
Основные достоинства хроматографического анализа:
• экспрессность;
• высокая эффективность;
• возможность автоматизации и получения объективной информации;
• сочетание с другими физико-химическими методами;
• широкий интервал концентраций соединений;
• возможность изучения физико-химических свойств соединений;
• осуществление проведения качественного и количественного анализа;
• применение для контроля и автоматического регулирования технологических процессов.
В зависимости от природы взаимодействия, обусловливающего распределение компонентов между элюентом и неподвижной фазой, различают следующие основные виды хроматографии – адсорбционную, распределительную, ионообменную, эксклюзионную (молекулярно-ситовую) и осадочную.
Адсорбционная хроматография основана на различии сорбируемости разделяемых веществ адсорбентом (твердое тело с развитой поверхностью); распределительная хроматография – на разной растворимости компонентов смеси в неподвижной фазе (высококипящая жидкость, нанесенная на твердый макропористый носитель) и элюенте; ионообменная хроматография – на различии констант ионообменного равновесия между неподвижной фазой (ионитом) и компонентами разделяемой смеси; эксклюзионная (молекулярно-ситовая) хроматография – на разной проницаемости молекул компонентов в неподвижную фазу (высокопористый неионогенный гель). Осадочная хроматография основана на различной способности разделяемых компонентов выпадать в осадок на твердой неподвижной фазе.
В соответствии с агрегатным состоянием элюента различают:
• газовую хроматографию (ГХ);
• высокоэффективную жидкостную хроматографию (ВЭЖХ).
Газовая хроматография применяется для разделения газов, определения примесей вредных веществ в воздухе, воде, почве, промышленных продуктах; определения состава продуктов основного органического и нефтехимического синтеза, выхлопных газов, лекарственных препаратов, а также в криминалистике и т.д.
Жидкостная хроматография используется для анализа, разделения и очистки синтетических полимеров, лекарственных препаратов, детергентов, белков, гормонов и других биологически важных соединений. Использование высокочувствительных детекторов позволяет работать с очень малыми количествами веществ (10-11–10-9 г), что исключительно важно в биологических исследованиях.
В зависимости от агрегатного состояния неподвижной фазы газовая хроматография бывает газо-адсорбционной (неподвижная фаза – твердый адсорбент) и газожидкостной (неподвижная фаза – жидкость), а жидкостная хроматография – жидкостно-адсорбционной (или твердожидкостной) и жидкостно-жидкостной.
Различают колоночную и плоскостную хроматографию. В колоночной сорбентом заполняют специальные трубки – колонки, а подвижная фаза движется внутри колонки благодаря перепаду давления. Разновидность колоночной хроматографии – капиллярная, когда тонкий слой сорбента наносится на внутренние стенки капиллярной трубки. Плоскостная хроматография подразделяется на тонкослойную и бумажную. В тонкослойной хроматографии тонкий слой гранулированного сорбента или пористая пленка наносятся на стеклянную или металлическую пластинки; в случае бумажной хроматографии используют специальную хроматографическую бумагу. Тонкослойная (ТСХ) и бумажная хроматография используются для анализа жиров, углеводов, белков и других природных веществ и неорганических соединений.
Ряд видов хроматографии осуществляется с помощью приборов, называемых хроматографами, в большинстве из которых реализуется проявительный вариант хроматографии. Хроматографы используют для анализа и для препаративного (в том числе промышленного) разделения смесей веществ. При анализе разделенные в хроматографической колонке вещества вместе с элюентом попадают в установленное на выходе из колонки специальное устройство – детектор, регистрирующее их концентрации во времени.
Полученную в результате этого выходную кривую называют хроматограммой. Для качественного хроматографического анализа определяют время от момента ввода пробы до выхода каждого компонента из колонки при данной температуре и при использовании определенного элюента. Для количественного анализа определяют высоты или площади хроматографических пиков с учетом коэффициентов чувствительности используемого детектирующего устройства к анализируемым веществам.
В соответствии с природой детектора и механизмом возникновения сигнала различают химические, физические, физико-химические, биологические и другие детекторы различных хроматографических методов анализа (табл. 6.5).
Таблица 6.5
Подвижные, неподвижные фазы и детекторы различных хроматографических методов анализа
|
Методы хроматографии |
Подвижная фаза |
Неподвижная фаза |
Детекторы |
|
Газовая (ГХ) |
Газ (гелий, азот, водород, аргон, воздух) |
Неспецифические сорбенты (угли). Полярные соединения – SiO2 • nН2O; А12O3. Молекулярные сита, или цеолиты – алюмосиликаты щелочных металлов, сополимеры стирола и дивинилбензола |
Катарометр, пламенно-ионизационный (ПИД), по захвату электронов, термоионный, аргонный; масс-селективный (МСД), атомноэмиссионный, инфракрасный, ИК-Фурье спектрометр |
|
Газо-жидкостная (ГЖХ) |
Газ (гелий, азот, водород, аргон, воздух) |
Пленки жидких сорбентов различной полярности нанесены на твердый носитель или стенки колонки (полиэтиленгликоли, силиконовые масла, эфиры гликолей) |
|
|
Жидкостная сорбционная (жидкость-жидкостная (ЖЖХ), ВЭЖХ, жидкостная адсорбционная (ЖАХ)) |
Водно-органические буферные растворы – элюенты (ацетонитрил, этанол, вода, гексан, их смеси) |
Пленки жидких сорбентов различной полярности нанесены на твердый носитель или стенки колонки (полиэтиленгликоли, силиконовые масла, эфиры гликолей). Полярные соединения – SiО2 • яН2О; А12О3. Молекулярные сита или цеолиты – алюмосиликаты щелочных металлов, сополимеры стирола и дивинилбензола |
Электрохимический, многоволновый оптический; по показателю преломления; флюоресцентный, УФ-, ИК-, видимый спектрофотометр; масс-спектрометр |
|
Ионообменная |
Водные растворы |
Катиониты, аниониты, амфолиты |
Титрометрия |
|
Молекулярно-ситовая |
Растворы мономеров, полимеров |
Молекулярные сита органической и неорганической природы |
Масс-спектрометр, вискозиметр |
|
Плоскостная ЖЖХ, ЖЛХ |
Органические и неорганические растворители |
SiО2 • nН2O; A12O3, гидрофильная и гидрофобная бумага |
Оптические, электрохимические |