Хроматография как метод обнаружения и разделения в качественном анализе
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГОУВПО
ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСТИТЕТ
Химический факультет
Кафедра аналитической химии
КУРСОВАЯ РАБОТА
Хроматография как метод обнаружения и разделения в качественном анализе
Выполнили:
студентки 2 курса группы 3,4-НБ
Субботина Ю.Р., Драчева Н.А.
Проверила:
Юминова А.А.
Пермь 2014
Оглавление
Введение………………………………………………………… …………………………...3
История развития хроматографии
.............................. .............................. ............................4 Достоинства и основные методы
хроматографического анализа....................... ...............6
Классификация методов хроматографии
1. Классификация методов хроматографии
.............................. .............................. ..9
2. Методы хроматографии .............................. .............................. ............................. 11
2.1.Газовая хроматография .............................. .............................. ......................11
2.2.Жидкостная хроматография
.............................. .............................. ..............14
2.3.Ионообменная хроматография
.............................. .............................. ..........16
2.4.Тонкослойная хроматография
.............................. .............................. ...........18
Экспериментальная часть .............................. .............................. .............................. ..........23
Заключение .............................. .............................. .............................. .............................. ...25
Список литературы .............................. .............................. .............................. ....................29
Введение.
С необходимостью разделения и анализа смеси веществ приходится сталкиваться как химику-синтетику, химику-аналитику, так и технологу, биологу, физику, геологу. Особое значение методы разделения смеси веществ на индивидуальные компоненты получили в последние десятилетия в связи с проблемой получения материалов сверхвысокой степени чистоты, а также при установлении строения близких по свойствам и структуре соединений.
Хроматография – наиболее часто используемый аналитический метод. Аналитика на 70-80 % представлена именно хроматографическими методами. Понятие о том, что такое хроматография, в настоящее время существенно расширилось. Однако в основном справедливо и традиционное понятие хроматографии, которое гласит: хроматография – физический метод анализа и исследования веществ и их смесей, основанный на разделении компонентов за счет распределения их при перемещении через слой неподвижной фазы потоком подвижной фазы.
В основе хроматографических
процессов лежат явления сорбции и десорбции.
Сорбция - это поглощение твёрдым телом либо
жидкостью различных веществ из окружающей
среды. Поглощаемое вещество, находящееся
в среде, называют сорбатом (сорбтивом), поглощающее
твёрдое тело или жидкость — сорбентом. Десорбция – это удаление адсорбированного веще ства с поверхности адсорбента. Процесс,
обратный адсорбции.
Наиболее проще и понятнее следующее определение хроматографии: хроматография — процесс разделения молекул за счет дифференциальной миграции, т. е. разделения за счет различных скоростей перемещения различных молекул.
В целом, современный хроматографический метод не ограничивается лишь возможностью разделения и анализа смеси веществ. Хроматография нашла весьма широкое применение также и как метод изучения свойств растворов и других систем. Поэтому хроматографический метод должен быть охарактеризован не только как метод разделения и анализа смесей, но и как метод научного исследования.
История развития хроматографии.
Как и всякая научная дисциплина хроматография имеет свою историю. Обычно принято ссылаться на работы 1850 г. немецкого химика Рунге, который описал процесс разделения красителей методом фронтального проявления на бумаге. Найдены и другие работы аналогичного характера. Опыты Рунге и других ученых были удачной реализацией, но не составили научной дисциплины.
Основателем хроматографии справедливо считают русского ученого, ботаника и физикохимика Михаила Семеновича Цвета. (Основные итоги исследований по развитию созданного варианта хроматографии М.С.Цвет изложил в книге «Хромофиллы в растительном и животном мире», которая являлась его докторской диссертацией.) В 1900 году, проводя опыт, Цвет взял стеклянную трубку, наполнил ее порошком мела и на верхний слой налил немного спиртового экстракта листьев. Экстракт был буро-зеленого цвета, и такого же цвета стал верхний слой меловой колонки. А затем Михаил Семенович начал по каплям лить сверху в трубку с мелом чистый спирт. Капля за каплей очередная его порция растворяла пигменты с крупинок мела, передвигаясь вниз по трубке. В результате в столбике мела получались однородные окрашенные полосы чистых веществ. Ярко-зеленая полоса, полоса чуть желтее зеленого - это два вида хлорофиллов и яркая желто-оранжевая полоса каротиноидов. Цвет назвал эту картину хроматограммой.
Скрытый период развития хроматографии окончился в 1931 г., после того, как Э. Ледерер, прочитав сделанный Вильштетером рукописный перевод книги М. С. Цвета на немецкий язык, провел хроматографическое разделение каротинов. С тех пор хроматографию начали широко использовать в ботанических и биохимических лабораториях.
Также в хроматографии существуют наиболее значительные даты ее развития:
1903 – первый доклад
М.С.Цвета о разделении хлорофилла;
1931 – признание приоритета
Цвета как создателя хроматографии
в целом и адсорбционно- хроматографического
анализа в частности;
1937 - основание ионообменной хроматографии (Г. Шваб, США);
1938 - Измайлов и Шрайбер сообщили о проведении круговой хроматографии на слое оксида алюминия, нанесённом на стеклянную пластинку;
1941 - проводилась жидкостная распределительная хроматография как метод анализа смесей аминокислот (А.Мартин, Р.Синдж, Англия);
1944 - возникновение бумажной хроматографии (А.Мартин, Р.Синдж, Англия);
1945 - первые публикации
по газоадсорбционной хроматографии;
1952 - А.Джеймс и А.Мартин
создали газожидкостную хроматографию
и предложили первую теорию
разделения («теорию тарелок»);
1953 - построен и применен
в анализе первый газовый хроматограф;
1956 - теория размывания хроматографических пиков ( Я. Ван Деемтер, А.Клинкенберг, Голландия);
1956 - капиллярная газовая хроматография (М.Голэй, Франция);
1960-е годы - массовый выпуск газовых хроматографов, препаративная хроматография, хромато-масс-спектрометрия;
1966-1971 - первые жидкостные хроматографы высокого давления (Ш.Хорват, США, Г.Киркланд, Англия). Развитие метода ВЭЖХ;
1975 - ионная хроматография (Х.Смолл, Т.Стивенс и В.Бауман, США); 1980–е годы - флюидная (сверхкритическая) хроматография;
1990-е годы – базы
данных и системы компьютерной
идентификации для хроматографического
анализа.
Достоинства и основные методы хроматографического анализа
Следует подчеркнуть следующие достоинства хроматографических методов:
1. Хроматография – гибридный метод, сочетающий одновременное разделение и определения нескольких компонентов.
2. Хроматография позволяет решать как аналитические задачи (разделение, идентификация, определение), так и препаративные (очистка, выделение, концентрирование). Решение этих задач можно сочетать, выполняя их в режиме “on-line”.
3. Разделение носит динамический характер, причем акты сорбции-десорбции разделяемых компонентов повторяются многократно. Этим обусловлена значительно большая эффективность хроматографического разделения по сравнению со статическими методами сорбции и экстракции.
4. При разделении используют различные типы взаимодействия сорбатов и неподвижной фазы: от чисто физических до хемосорбционных. Это обуславливает возможность селективного разделения широкого круга веществ.
5. На разделяемые вещества можно накладывать различные дополнительные поля (гравитационное, электрическое, магнитное и др.), которые, изменяя условия разделения, расширяют возможности хроматографии.
Многочисленные методы классифицируются по агрегатному состоянию фаз, механизму разделения и технике проведения разделения. Хроматографические методы различаются и по способу проведения процесса разделения на фронтальный, вытеснительный и элюентный:
1. Элюентный хроматографический метод.
Хроматографическую колонку промывают элюентом (раствором или растворителем), обладающим меньшей сорбируемостью, чем любое из разделяемых веществ. Затем в колонку вводят разделяемые вещества, растворенные в элюенте, и продолжают непрерывно пропускать элюент (процесс элюирования). При этом разделяемые вещества перемещаются вдоль колонки с разными скоростями в соответствии с их сорбируемостью. Если скорости перемещения компонентов достаточно различаются, то на выходе из колонки сначала появляется наименее сорбируемый компонент, затем следующий компонент и т.д. В этом случае хроматограмма представляет собой несколько пиков, имеющих форму гауссовой кривой (рис.1)
Рис.1 Хроматограмма, полученная методом элюентной хроматографии
Для решения аналитических задач используется элюентный метод, он имеет следующие достоинства:
– дает наиболее полное разделение, поскольку зоны сорбатов разделены зонами элюента;
– сорбент непрерывно регенерируется;
– параметры удерживания хорошо воспроизводимы.
2. Фронтальный хроматографический метод.
В колонку непрерывно вводят раствор разделяемых веществ, которые распределяются в колонке в соответствии с сорбируемостыо. Из колонки сначала будет вытекать чистый растворитель, затем, когда сорбент насытится менее сорбируемым веществом А, оно появится в элюате. Когда сорбент насытится вторым, менее сорбируемым веществом В, элюат будет содержать оба эти вещества и т.д. (рис.2). Когда же сорбент будет полностью насыщен всеми компонентами смеси, состав элюата совпадет с составом раствора, вводимого в колонку. При фронтальном способе получения хроматограммы в чистом виде можно выделить лишь одно вещество. Однако внешняя хроматограмма дает представление о числе компонентов в анализируемом растворе.
Рис.2 Хроматограмма, полученная методом фронтальной хроматографии
3. Вытеснительный хроматографический
метод.
Сначала в колонку вводят небольшое количество раствора разделяемых веществ. Затем через колонку непрерывно пропускают вытеснитель, обладающий большей сорбируемостью, чем любое из разделяемых веществ (рис.3). По мере продвижения по колонке элюент вытесняет вещество С, которое в свою очередь вытесняет вещество В, и т.д. В результате анализируемая смесь перемещается впереди фронта вытеснителя и скорость движения веществ равна скорости движения вытеснителя. Разделяемые вещества и на колонке, и в элюате располагаются последовательно друг за другом. Каждый из компонентов выделяется в чистом виде, но не количественно, так как зоны компонентов не разделены промежутками чистого сорбента.
Рис.3 Хроматограмма, полученная методом вытеснительной хроматографии
Классификация методов хроматографии
1.Классификация методов хроматографии
Рис.4 Классификация хроматографических методов (по К.В.Чмутову)
В основу общепринятых классификаций многочисленных хроматографических методов положены следующие признаки: агрегатное состояние подвижной и неподвижной фаз, механизм взаимодействия сорбент—сорбат, форма слоя сорбента (техника выполнения), цель хроматографирования.
По агрегатному состоянию фаз хроматографию разделяют на газовую и жидкостную.
По механизму взаимодействия сорбента и сорбата можно выделить несколько видов хроматографии:
●распределительная хроматография основана на различии в растворимости
разделяемых веществ в неподвижной фазе (газовая хроматография) или на
различии в растворимости веществ в подвижной и неподвижной жидких фазах;
●ионообменная хроматография — на разной способности веществ к ионному обмену;
●адсорбционная хроматография — на различии в адсорбируемости веществ твердым сорбентом;
●эксклюзионная хроматография — на различии в размерах и формах молекул разделяемых веществ, аффинная хроматография — на специфических взаимодействиях, характерных для некоторых биологических и биохимических процессов.
По технике выполнения выделяют колоночную хроматографию, когда разделение проводится в специальных колонках, и плоскостную хроматографию, когда разделение проводится на специальной бумаге (бумажная хроматография) или в тонком слое сорбента (тонкослойная хроматография).
По цели хроматографирования выделяют аналитическую хроматографию (качественный и количественный анализ); препаративную хроматографию (для получения веществ в чистом виде, для концентрирования и выделения микропримесей); промышленную (производственную) хроматографию для автоматического управления процессом (при этом целевой продукт из колонки поступает в датчик).
2. Методы хроматографии
Разберем более подробно наиболее значимые методы хроматографического анализа.
2.1.Газовая хроматография
Газовая хроматография —метод разделения летучих компонентов, при котором
подвижной фазой служит инертный газ (газ-носитель),
протекающий через неподвижную фазу с
большой поверхностью. В качестве подвижной
фаз используют водород, гелий, азо
Различают газо-твердофазную и газо-жидкостную хроматографию. В первом случае неподвижной фазой является твёрдый носитель (силикагель, уголь, оксид алюминия), во втором — жидкость, нанесённая на поверхность инертного носителя.
Газо-жидкостная хроматография
Принципиальная схема газового хроматографа изображена на рис.5
Рис.5
Газовая хроматография - универсальный метод разделения смесей разнообразных веществ, испаряющихся без разложения. При этом компоненты разделяемой смеси перемещаются по хроматографической колонке с потоком газа-носителя. По мере движения разделяемая смесь многократно распределяется между газом-носителем (подвижной фазой) и нелетучей неподвижной жидкой фазой, нанесенной на инертный материал (твердый носитель), которым заполнена колонка. Принцип разделения - неодинаковое сродство веществ к летучей подвижной фазе и стационарной фазе в колонке. Компоненты смеси селективно задерживаются
последней, поскольку растворимость их в этой фазе различна, и таким образом разделяются (компонентам с большей растворимостью требуется большее время для выхода из жидкой фазы, чем компонентам с меньшей растворимостью). Затем вещества выходят из колонки и регистрируются детектором. Сигнал детектора записывается в виде хроматограммы автоматическим потенциометром (самописцем) или же регистрируется компьютером.
Достоинствами газовой хроматографии являются:
– сравнительная простота аппаратурного оформления;
– весьма широкие границы применимости (можно определять соединения, для которых достигается давление насыщенного пара 0,001-1 мм рт.ст.);
– возможность определения с высокой точностью малых количеств газов органических соединений с высокой точностью;
– быстрота анализа;
– широкий выбор сорбентов и неподвижных фаз;
– высокая гибкость изменения условий разделения;
– возможность осуществления химических реакций в хроматографической колонке или детекторе, что расширяет круг анализируемых соединений (реакционная газовая хроматография).
Следует отметить и существующие ограничения метода газовой хроматографии:
• невозможность разделения и анализа смесей нелетучих соединений;
• осложнения при разделении и анализе термически нестабильных соединений;
• невозможность разделения и анализа соединений, способных к диссоциации в анализируемых растворах (разделение ионов).
Газоадсорбционную хроматографию используют реже, чем газожидкостную, главным образом из - за нелинейности изотрем адсорбции даже при низких степенях заполнения. Среди достоинств адсорбентов - способность выдерживать высокие температуры и не создавать фона при детектировании примесей на ионизационных детекторах. На рис.6 приведена таблица основных адсорбентов для газовой хроматографии.
Рис.6 Основные адсорбенты для газовой хроматографии
2.2.Жидкостная хроматография
Жидкостная хроматография — это хроматография, в которой подвижной фазой является жидкость.
Жидкостная хроматография разделяется на жидкостно-адсорбционную (разделение соединений происходит за счёт их различной способности адсорбироваться и десорбироваться с поверхности адсорбента), жидкостно-жидкостную, или распределительную (разделение осуществляется за счёт различной растворимости в подвижной фазе — элюенте и неподвижной фазе, физически сорбированной или химически привитой к поверхности твёрдого адсорбента), ионообменную хроматографию, где разделение достигается за счёт обратимого взаимодействия анализируемых ионизирующихся веществ с ионными группами сорбента — ионита.
Жидкостный хроматограф состоит из трех основных функциональных частей.
Источник потока подвижной фазы состоит из резервуара, насоса и фильтра. В зависимости от конструкции элементов этого блока в него могут входить устройство для формирования градиентов подвижной фазы; дегазатор и устройство для сглаживания пульсаций давления, если этого требуют конструкции детектора и насоса. В разделительный блок хроматографа входят устройство для ввода проб, хроматографические колонки, а иногда предварительная колонка для насыщения и термостат. Блок детектирования представляет собой детектор или систему нескольких детекторов. Иногда в этот блок входят сборник фракций и измеритель потока. Схема жидкостного хроматографа показана на рис.7.
В настоящее время широко используется как классическая, так и высокоэффективная жидкостная хроматография, которые характеризуются следующими параметрами (рис. 8).
С практической точки зрения можно выделить следующие основные черты современной ЖХ, отличающие ее от классической ЖХ:
1) применение новых сорбентов в высокой степени однородных по размеру и форме зерен;
2) применение мелкозернистых материалов диаметром 10-80 мкм;
3) применение новых усовершенствованных методик заполнения колонок;
4) использование высоких давлений на входе в колонку (до 120 атм);
5) уменьшение до минимума мертвых объемов в разделительной системе хроматографа;
6) применение высокочувствительных детекторов с измерительными ячейками очень малого объема.
Рис.7 Жидкостный хроматограф
Характеристика |
Классическая ЖХ |
Высокоэффективная ЖХ |
Давление, атм. |
От долей атм. до 2 атм. |
>2 атм. |
Скорость потока (мм*мин) |
5-50 |
600 |
Продолжительность разделения |
От нескольких часов до нескольких суток |
От нескольких минут до нескольких часов |
Оборудование |
Колонка и вспомогательное |
Хроматограф |
Тип разделения |
Препаративное |
Аналитическое |
Детектирование |
Детектирование отдельных фракций аналитическим методом |
С помощью детектора |
Количество исследуемого вещества |
От нескольких мкг до нескольких кг |
От нескольких нанограммов до нескольких мкг |
Рис.8 Характеристика ЖХ и ВЭЖХ
2.3.Ионообменная хроматография
Ионообменная хроматография, являющаяся разновидностью жидкостной хроматографии, основана на эквивалентном обмене ионов раствора на ионы твердой фазы. В отличие от абсорбции ионный обмен описывается стехиометрическим химическим уравнением, что важно и для ионной хроматографии. Однако в ионообменниках часто наблюдается и физическая адсорбция.
Для практических целей ионообменную хроматографию наиболее широко используют для анализа аминокислот. Особенно широкую популярность ионообменная хроматография аминокислот получила с появлением аминокислотных анализаторов, позволяющих автоматизировать почти все стадии анализа за исключением подготовки пробы.
Автоматический аминокислотный анализатор позволяет проводить анализ смеси аминокислот белковых гидролизатов. Структурная схема аминокислотного анализатора представлена на рис. 10.
Рис. 10 Структурная схема аминокислотного анализатора
Подача буферных растворов (1-6) на ионообменную колонку (10) осуществляется с помощью соленоидных клапанов и насоса через автоматическое устройство ввода образца (7-9). Колонку заполняют специальной ионообменной смолой, которая должна обладать высокой разрешающей способностью и устойчивостью к давлению.
Нингидрин (или флуорескамин, или офталевый диальдегид) подается специальным насосом (14) из резервуара (13) и смешивается с элюатом (11), вытекающим из колонки, в специальном блоке (15). Затем полученная смесь подается в реакционный сосуд (16) для получения производных с последующим детектированием с помощью фотометра или флуориметра (17) по поглощению или флуорисценции и регистрацией на самописце (18). Контроль над процессами осуществляется с помощью программирующего устройства (12). В блоке обработки информации (19) происходит анализ полученных результатов, а также сравнение интенсивности сигналов отдельных аминокислот со стандартной смесью и определение абсолютного количества каждой аминокислоты в исследуемом гидролизате. Идентификацию каждой аминокислоты проводят по соответствующему времени удерживания. После анализа автоматически осуществляется регенерация сорбента в колонке.
В настоящее время разработано несколько способов получения окрашенных, или флуоресцирующих производных аминокислот.
Ионообменные смолы — набухающие органические полиэлектролиты, способные поглощать ионы по обменному механизму. Катионитами называют ионообменники с отрицательно заряженными активными группами, на которых адсорбируются катионы, и анионитами — ионообменники с положительно заряженными группами, на которых адсорбируются анионы. На рис.11 представлена классификация смол по ионогенным группам.
Рис.11 Классификация смол по иноногенным группам
2.4.Тонкослойная хроматография
Тонкослойная хроматография — хроматографиче
В методе тонкослойной хроматографии используется специальные пластины, как правило, алюминиевые или полимерные, на которые нанесен слой сорбента.
Рис.12 Схема тонкослойной хроматографии
Техника эксперимента в тонкослойной хроматографии
• Нанесение пробы. Анализируемую жидкую пробу наносят на линию старта с помощью капилляра, микрошприца, микропипетки, осторожно касаясь слоя сорбента (диаметр пятна на линии старта - обычно от одного до нескольких миллиметров). Если на линию старта наносят несколько проб, то расстояние между пятнами образцов на линии старта не должно быть меньше 2 см. По возможности используют концентрированные растворы. Пятна сушат на воздухе, после чего проводят хроматографирование.
• Развитие хроматограммы (хроматографирование). Процесс проводят в закрытых хроматографических камерах, насыщенных парами растворителя, используемого в качестве ПФ (подвижной фазы), например, в стеклянном сосуде, покрытом сверху крышкой. В зависимости от направления движения ПФ различают восходящую, нисходящую и горизонтальную хроматографию.
- В варианте восходящей хроматографии ПФ наливают на дно камеры (в качестве последней можно использовать стеклянный химический стакан подходящего размера со стеклянной крышкой), хроматографическую пластинку помещают вертикально или наклонно в камеру так, чтобы слой ПФ на дне камеры смачивал нижнюю часть пластинки (ниже линии старта на ~1,5- 2 см). ПФ перемещается за счет действия капиллярных сил снизу-вверх (против силы тяжести) сравнительно медленно.
- В варианте нисходящей хроматографии ПФ подается сверху и перемещается вниз вдоль слоя сорбента пластинки. Сила тяжести ускоряет движение ПФ. Такой вариант реализуют при анализе смесей, содержащих компоненты, медленно перемещающиеся с ПФ.
- В варианте горизонтальной
хроматографии пластинку
• Расшифровка хроматограмм. Если пятна на хроматограмме окрашены, после высушивания пластинок определяют расстояние от линии старта до центра каждого пятна и вычисляют коэффициенты подвижности. Если же в состав анализируемой пробы входят бесцветные вещества, дающие неокрашенные, т.е. визуально не идентифицируемые пятна на хроматограмме, необходимо провести детектирование этих пятен, для чего хроматограммы проявляют.
Рассмотрим некоторые наиболее распространенные методы детектирования.
• Облучение ультрафиолетовым светом. Используется для обнаружения флуоресцирующих соединений (пятна светятся при облучении пластинки УФ-светом) или нефлуоресцирующих веществ, но с применением сорбента с флуоресцирующим индикатором (сорбент светится, пятна не светятся). Таким образом детектируют, например, алкалоиды, антибиотики, витамины и другие лекарственные вещества.
• Термическая обработка. Высушенную после хроматографирования пластинку осторожно нагревают (до ~200 °C), избегая потемнения слоя самого сорбента (например, тогда, когда тонкий слой сорбента содержит крахмал). При этом пятна проявляются обычно в виде коричневых зон (за счет частичного термолиза органических компонентов).
• Химическая обработка. Хроматограммы проявляют, обрабатывая их реагентами, которые образуют окрашенные соединения с разделяемыми компонентами смесей. Для этих целей применяют различные реагенты: пары йода, аммиака, брома, диоксида серы, сероводород, специально приготовленные растворы, которыми обрабатывают пластинки. Применяют как универсальные, так и селективные реагенты (понятие «универсальные» достаточно условно).
Универсальными реагентами могут служить, например, концентрированная серная кислота (при нагревании наблюдается потемнение пятен органических соединений), кислый водный раствор перманганата калия (зоны наблюдаются в виде коричневых пятен на фиолетовом фоне сорбента), раствор фосфорно-молибденовой кислоты при нагревании (появляются синие пятна на желтом фоне) и т.д.