Основные положения хроматографии
АИНГ. Специальность 050721-«Химическая технология органических веществ». Группа ХТНГ-09р/о
Ф.И.О. студента Абылкалыков Абылай-хан Ерсаинович
Введение
Хроматография в настоящее время является наиболее широко
используемым методом исследования объектов окружающей среды.
Хроматографический метод был предложен в 1903 году русским
ученым М.С. Цветом. Он писал: «При фильтрации смешанного раствора через столб адсорбента пигменты… расслаиваются в виде отдельных, различно окрашенных зон. Подобно световым лучам в спектре, различные
компоненты сложного пигмента закономерно распределяются друг за
другом в столбе адсорбента и становятся доступными качественному
определению. Такой рассчвеченный препарат я назвал хроматограммой, а
соответствующий метод анализа хроматографическим методом».
Работы М.С.Цвета послужили фундаментом для развития остальных видов хроматографии для разделения как окрашенных, так и неокрашенных
соединений, осуществляемых в любых средах.
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.
Хроматография – процесс, основанный на многократном повторении актов сорбции и десорбции вещества при перемещении его в потоке подвижной фазы вдоль неподвижного сорбента.
Разделение сложных
смесей хроматографическим спос
В процессе хроматографирования т
Качественный хроматографически
Количественный хроматографичес
В количественной газовой хроматографии применяют методы абсолютной градуировки и внутренней нормализации, или нормировки. Используется также метод внутреннего стандарта. При абсолютной градуировке экспериментально определяют зависимость высоты или площади пика от концентрации вещества и строят градуировочные графики или рассчитывают соответствующие коэффициенты. Далее определяют те же характеристики пиков в анализируемой смеси, и по градуировочному графику находят концентрацию анализируемого вещества. Этот простой и точный метод является основным при определении микропримесей.
При использовании метода внутренне
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 определять (массу, концентрацию) любыми химическими, физическими и физико-химическими методами.
1. Основные положения хроматографии
Хроматографией называется
метод разделения и анализа смеси
веществ, основанный на различной сорбции
компонентов анализируемой
В настоящее время этот метод разделения и анализа смесей веществ применяется практически во всех областях химической технологии. Различают следующие основные типы хроматографии: адсорбционную, распределительную, ионообменную, электронообменную, электрофорез и гель-хроматографию. Хроматография широко 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 т. ч. промышленного) выделения индивидуальных веществ (например, благородных металлов), разделения редких и рассеянных элементов.
В адсорбционной хроматографии адсорбирующей поверхностью является неподвижная твердая фаза, состоящая из мелкоизмельченного пористого материала (сорбента) - силикагеля, окиси алюминия, активированного угля, магнезии и т. п. Подвижной фазой служит жидкость или газ. Разделение анализируемых веществ основано на их различной способности к миграции в пористой среде (неподвижной фазе) за счет перемещения подвижной фазы.
Для хроматографического разделения небольшое количество анализируемого образца помещают в верхнюю часть колонки, заполненной пористым сорбентом, и пропускают через колонку сверху вниз газ или жидкость. Подвижная фаза проходит сначала через анализируемый образец, а затем движется через слой сорбента. При этом компоненты анализируемой смеси .многократно распределяются между неподвижной и подвижной фазами. Вследствие различной адсорбции их на неподвижной фазе они мигрируют вдоль колонки с различной скоростью, разделяются и выходят из колонки отдельно. При контроле состава выходящей из колонки подвижной фазы можно зафиксировать моменты появления индивидуальных компонентов и определить их количественно.
В распределительной хроматографии распределение растворенного вещества происходит между двумя или более жидкими фазами или между неподвижной жидкой и газовой фазами. Неподвижная жидкая фаза может представлять собой пленку или слой либо быть диспергированной на объемном инертном твердом носителе.
В ионообменной хроматографии
нерастворимой неподвижной
В электронообменной
хроматографии в качестве неподвижной
фазы используют полимерные смолы, обладающие
окислительно-восстановительным
При электрофорезе компоненты смеси ионов на твердом носителе (например, фильтровальная бумага или колонка с сорбентом, пропитанным проводящим электрический ток буферным раствором) мигрируют с различными скоростями и разделяются на зоны под действием электрического поля. Этот метод часто используется для разделения белков (поле низкого напряжения), аминокислот и пептидов (поле высокого напряжения). В гель-хроматографии колонка заполняется адсорбентами, на поверхности которых имеются поры определенного размера (молекулярные сита). Мелкие молекулы могут проникать в поры, а крупные - нет. Поэтому мелкие молекулы более прочно удерживаются неподвижной фазой при проявлении растворителем, чем крупные, и соответственно выходят из колонки позже.
В зависимости от техники проведения хроматографического разделения различают колоночную, бумажную, тонкослойную (ТСХ), газовую, газожидкостную хроматографию (ГЖХ) и др.
Хроматографию применяют для очистки, разделения и количественного анализа веществ. Достоинствами хроматографических методов анализа являются их высокая чувствительность и селективность. Для анализа требуется небольшое количество вещества. Хроматография позволяет разделять и анализировать смеси веществ, близких по своим свойствам.
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 определять (массу, концентрацию) любыми химическими, физическими и физико-химическими методами.
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 получение 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.
2. Виды хроматографии
В зависимости от природы взаимодействия, обусловливающего распределение компонентов между элюентом и неподвижной фазой, различают следующие основные виды хроматографии - адсорбционную, распределительную, жидкостную, сорбционную, ионообменную, молекулярно – ситовую и осадочную.
Методы хроматографии |
Подвижная фаза |
Неподвижная фаза |
Детекторы |
Газовая адсорбционная (ГАХ) |
Газ (гелий, азот, водород, аргон, воздух) |
Неспецифические сорбенты (угли). Полярные – SiO2.nН2О; Al2O3. Молекулярные сита или цеолиты – алюмосиликаты щелочных металлов, сополимеры стирола и дивинилбензола |
Катарометр, пламенно-ионизационный (ПИД), по захвату е, термоионный, аргонный; масс-селективный (МСД), атомно-эмиссионный, инфракрасный, ИК-Фурье спектрометр |
Газовая распределительная (ГЖХ) |
Газ (гелий, азот, водород, аргон, воздух) |
Пленки жидких сорбентов различной полярности нанесены на твердый носитель или стенки колонки: полиэтиленгликоли, силиконовые масла | |
Жидкостная сорбционная (ЖЖХ, ВЭЖХ, 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 – SiO2.nН2О; Al2O3. Молекулярные сита или цеолиты – алюмосиликаты щелочных металлов, сополимеры стирола и дивинилбензола |
Электрохимический, многоволновый оптический; по показателю преломления; флюоресцентный, УФ-, ИК-, видимый спектрофотометр; масс-спектрометр |
Ионо-обменная |
Водные растворы |
Катиониты, аниониты, амфолиты |
Титрометрия |
Молекулярно-ситовая |
Растворы мономеров, полимеров |
Молекулярные сита органической и неорганической природы |
Масс-спектрометр, вискозиметр |
Плоскостная ЖЖХ, ЖАХ |
Органические и неорганические растворители |
SiO2.nН2О; Al2O3, гидрофильная и гидрофобная бумага |
Оптические, электрохимические |
2.1. Газовая хроматография
Газовая хроматография – метод разделения летучих, термостабильных соединений. Этим требованиям отвечает около 5% известных органических соединений, но именно эти соединения оставляют 70-80 % соединений, которые использует человек в сфере производства и быта. Подвижной фазой служит инертный газ (газ-носитель), протекающий через неподвижную фазу, имеющую большую поверхность.
В качестве подвижной фазы можно использовать водород, гелий, азот,
аргон и углекислый газ. Наиболее часто используют азот, как более
доступный и дешевый. Газ-носитель обеспечивает перенос разделяемых
компонентов по хроматографической колонке и не взаимодействует ни с
разделяемыми веществами, ни с неподвижной фазой.
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);12
– повышение информативности при сочетании с различными
инструментальными методами (масс-спектрометрией и ИК (Фурье) спектрометрией).
В газовой хроматографии используют широкий круг детекторов,
которые можно подразделить на интегральные и дифференциальные.
Интегральные – регистрируют изменение во времени суммарного
количества всех компонентов, дифференциальные – измеряют мгновенную
концентрацию компонентов. В концентрационном детекторе сигнал определяется текущей
концентрацией в ячейке и многократно регистрируется, зависит от
скорости потока. Детектор такого типа – катарометр. Потоковый
детектор регистрирует сигнал однократно, сигнал определяется
мгновенным значением концентрации, не зависит от скорости потока.
Пример такого детектора
– пламенно-ионизационный
Общие требования, предъявляемые к детекторам следующие:
– достаточная чувствительность для решения конкретной задачи;
– малая инерционность;
– малая зависимость показаний от параметров опыта (температуры,
давления, скорости потока и др.);
– линейная связь
между показаниями и
интервале ее изменения;
– стабильность «нулевой линии»;
– легкость записи сигнала и передачи его на расстояние;
– простота, дешевизна.
Универсальным является катарометр – детектор по
теплопроводности, принцип работы которого основан на изменении
температуры нагретых нитей (чувствительных элементов) в зависимости
от теплопроводности окружающего газа, которая определяется его
составом. Детектор измеряет различие в теплопроводности чистого газа-
носителя и смеси газа-носителя с определяемым веществом.
Чувствительность детектора определяется геометрическими
характеристиками
параметрами чувствительного элемента и измерительного моста,
теплопроводностью газа-носителя и анализируемого соединения. Для
повышения чувствительности необходимо использовать газ-носитель с
высокой электропроводность (водород, гелий). Наиболее широко используются ионизационные детекторы, принцип работы которых основан на изменении ионного тока, вызванного введением в детектор анализируемого вещества. Ионный ток возникает под действием источника ионизации и электрического поля между электродами детектора.
В качестве источников ионизации используют:
– пламена (пламенно-ионизационный детектор)
– электронную и ионную эмиссию (термоионный детектор)
– радиоактивные изотопы (детектор электронного захвата)
– электрический разряд
– фотоионизацию (фотоионизационный детектор)
В любой момент времени в детекторе достигается равновесие, в
результате которого скорость образования заряженных частиц (ионов и
электронов) равна сумме скоростей рекомбинации и сбора заряженных
частиц на электродах детектора. Создаются условия, при которых либо
плотность (концентрация) заряженных частиц, либо скорость переноса
частиц в электрическом поле зависит от состава газа в камере детектора.
Пламенно-ионизационный детектор (ПИД) – универсальный,
чувствительный детектор, принцип действия которого основан на измерении электропроводности воздушно-водородного пламени, которая
резко возрастает при попадании в него малых количеств органических
веществ.
Термоионный детектор (ТИД) селективен к азот- и фосфор-
содержащим соединениям и является модификацией пламенно-
ионизационного детектора. Особенность этого детектора состоит в том,
что вблизи водородного пламени горелки помещают соль щелочного
металла (шарик, содержащий бромид рубидия). Нагретая соль
атомизируется и образующиеся при этом атомы рубидия диссоциируют на
ионы и электроны, которые попадают в электрическое поле. В присутствии
соединения, содержащего галоген, азот или фосфор, ионный ток
возрастает, т.е. происходит
селективное повышение
ионизации соединений содержащих атомы азота и фосфора. В их число
входит множество чрезвычайно опасных загрязнителей среды –
гербицидов, инсектицидов и фунгицидов.
Селективным и чувствительным детектором для определения
галогенсодержащих соединений является электронозахватный детектор (ЭЗД). В детектор входит радиоактивный источник β-частиц, которые
ионизируют молекулы газа-носителя, с образованием ионов и тепловых
электронов, которые формируют электрический ток в камере детектора.
Принцип действия этого детектора основан на уменьшении проводимости, вызываемом захватом электронов веществом, содержащим атомы с высокой электроотрицательностью. Принцип действия фотоионизационного детектора (ФИД) заключается в ионизации молекул, элюируемых с хроматографической колонки под действием вакуумного УФ-излучения и измерении возникающего ионного тока. Изменяя энергию излучения, можно варьировать чувствительность детектирования соединений различных классов. Особенно низкий предел обнаружения у ФИД для ароматических углеводородов (при использовании лампы с энергией 10.2 В).
Положительной особенность ФИД является то, что он не разрушает
детектируемые соединения, и его можно использовать в комбинации с
другими детекторами для более надежной идентификации сложных
смесей. Наиболее информативным и чувствительным детектором,
используемым в газовой хроматографии, является масс-спектрометрический детектор. Принцип действия детектора основан на том, что при ионизации молекулы в вакууме образуется группа характеристических ионов. Число образующихся ионов пропорционально количеству поступающего вещества, регистрируется изменение полного ионного тока, который пропорционален числу ионов. Одновременно с записью хроматограммы (зависимости полного ионного тока от времени) в любой ее точке, обычно на вершине хроматографического пика, может быть зарегистрирован масс-спектр (зависимость интенсивности ионного тока от массы иона). Масс-спектрометр в отличие от других спектроскопических детекторов регистрирует не излучение или поглощение энергии молекулами или атомами вещества, а сами частицы вещества, измеряет их массы, вернее отношение массы к заряду. Таким образом, масс-спектрометрический детектор можно рассматривать как универсальный детектор, который позволяет определить состав анализируемой смеси и идентифицировать разделяемые компоненты. Различают два варианта метода: газо-адсорбционную, когда неподвижной фазой служит твердый носитель, и газо-жидкостную хроматографию, когда неподвижной фазой является вязкая, нелетучая жидкость, нанесенная на инертный носитель.
2.2. Газо-адсорбционная хроматография
Метод анализа смесей газов и легколетучих веществ. Разделение
основано на различии в адсорбции на поверхности твердого носителя
(адсорбента). Адсорбция
может быть обусловлена
(ориентационными, индукционными и дисперсионными) и специфическими
взаимодействиями (комплексообразованием, либо образованием
водородной связи) и зависит от природы адсорбента и сорбата. В качестве
адсорбентов используют пористые носители, которые обладают
химической, физической и термической стабильностью; однородной
поверхностью, равномерным распределением по размеру пор и известной
адсорбционной активностью. Адсорбционная активность зависит от
удельной поверхности (определяется геометрической структурой
носителя) и удельной поверхностной энергии (определяется химической
структурой поверхности).
Достоинствами адсорбентов в качестве неподвижных фаз являются способность выдерживать высокие температуры, отсутствие фонового сигнала при работе с ионизационными детекторами и высокая селективность.
Адсорбенты делятся на неорганические, полимерные (органические)
и модифицированные. Среди неорганических адсорбентов особо важны
сорбенты на основе углеродных материалов. Это неполярные сорбенты,
для них особую роль в процессе разделения играют геометрические
параметры поверхности. Наиболее интересная особенность данных
материалов – возможность разделения структурных изомеров.
Широко используются полярные неорганические сорбенты на основе
двуокиси кремния. Особый интерес для газо-адсорбционной
хроматографии представляет использование цеолитовых молекулярных
сит , которые успешно позволяют разделять различные газовые смеси.
Применение адсорбентов на основе Al2O3 ограничено из-за его
гетерополярной поверхности, гигроскопичности и асимметрии пиков разделяемых соединений. Сорбенты используют для разделения легких
углеводородов.
Наиболее многообразны полимерные сорбенты на основе пористых
полимеров стирола и дивинилбензола и дивинилбензола. Их удается
синтезировать с заданными свойствами и очень чистой поверхностью. Это
гидрофобные сорбенты, слабо удерживающие полярные молекулы,
содержащие гидрокси- амино-группы. Основная область применения
полимерных сорбентов – разделение полярных и реакционно способных
газов и высоко полярных органических соединений; определение воды в
органических растворителях и летучих органических примесей в воде.
2.3. Газо-жидкостная хроматография
Газожидкостная хроматография основана на физико-химическом разделении анализируемых компонентов, находящихся в газовой фазе, при их прохождении вдоль нелетучей жидкости, нанесенной на твердый сорбент. Это один из наиболее перспективных методов анализа. Широкое распространение и перспективность методов ГЖХ обусловлены тем, что они позволяют разделить и количественно определить вещества в сложной смеси даже в тех случаях, когда они сходны по химическим свойствам, а температуры кипения W различаются на десятые доли градуса. Для анализа требуются очень малые количества вещества, а время определения обычно исчисляется минутами.
Разделение анализируемых веществ происходит в колонках (трубках), наполненных твердым пористым сорбентом, на который нанесена жидкая нелетучая стационарная фаза. Пары анализируемых веществ, смешанные с газом-носителем, движутся через колонку. При этом происходит многократное установление равновесия между подвижной газовой и жидкой стационарной фазами, обусловленное многократным повторением процессов растворения и испарения. Вещества, лучше растворимые в стационарной фазе, дольше удерживаются ею. Благодаря этому происходит разделение анализируемой смеси на отдельные компоненты, которые выходят из колонки отдельно и регистрируются на выходе.
Эффективность использования метода ГЖХ в каждом отдельном случае зависит от правильного выбора жидкой фазы, размера частиц и природы твердого носителя, скорости и природы газа-носителя, температуры, количества вводимой пробы, длины колонки и других факторов. Поскольку теоретический учет этих факторов не всегда возможен, эффективность анализа ГЖХ в большой степени зависит от практических знаний и опыта экспериментатора.
Поведение анализируемого вещества в колонке хроматографа можно охарактеризовать временем удерживания (fe), Т. е. временем, прошедшим от момента ввода пробы в колонку до момента появления максимума хроматографического пика этого компонента. Очевидно, что эта величина при прочих равных условиях будет зависеть от объемной скорости газа-носителя (F). Поэтому хроматографические пики принято характеризовать величиной удерживаемого объема (VR):
Удерживаемый объем зависит от размера пробы и ряда других факторов. Поэтому для расчетов применяют не простую величину Vr, а исправленную с учетом времени удерживания несорбирующегося вещества (воздух, инертный газ) - t0; мертвого объема, равного удерживаемому объему несорбирующегося вещества, - Vm, сжимаемости j; массы неподвижной фазы W; абсолютной температуры колонки T и т. д.
Довольно часто пользуются исправленным удерживаемым объемом VR, который представляет собой разность удерживаемого объема вещества и удерживаемого объема газа-носителя:
Вдоль каждой колонки существует градиент давления. Поэтому вводят поправочный коэффициент j, который учитывает сжимаемость газа в колонке:
где Pi - давление газа-носителя на входе в колонку, а Ро - давление на выходе из колонки. С учетом сжимаемости исправленный удерживаемый объем будет:
Пользуются также величиной удельного удерживаемого объема:
Эта величина эквивалентна VN при 0 С на 1 г жидкой фазы.
Относительный удерживаемый объем рассчитывают по формуле:
где индекс s относится к некоторому внутреннему стандарту, в качестве которого обычно используют нормальные алканы, а индекс х - к данному компоненту пробы.
Типичная блок-схема газожидкостного хроматографа изображена на рис. 1. Газ-носитель (гелий, азот, аргон) из баллона 1 через редуктор поступает в блок стабилизации газового потока 2, а из него - в аналитический блок 3, состоящий из термостата, колонок и ротаметра. Испытуемое вещество вводится с помощью микрошприца на стеклянную насадку, расположенную в начале колонки и обеспечивающую быстрое испарение вещества и полное смешение его с газом-носителем. Ввод пробы шприцем в колонку осуществляется через прокладку из силиконовой резины. Объем пробы в зависимости от типа детектора, прибора и условий хроматографирования колеблется в пределах от 0,1 до 10 мкл. Определяемые компоненты в смеси с газом-носителем поступают в детектор 4. Электрический сигнал от детектора поступает в усилитель 5. Усиленный сигнал записывается самопишущим потенциометром в виде хроматограммы (рис. 24) с числом пиков, соответствующим числу определяемых компонентов смеси. Количество каждого компонента можно высчитать по площади пика. Температура колонки может меняться по заданной программе с помощью блока программирования 7. Внешний вид современного хроматографа изображен на рис. 1.

- Основные положения школы научного управления
- Основные положения школы научного управления и их значение на современном этапе
- Основные положения школы научного управления и их значение на современном этапе
- Основные положения школы научного управления и их значения на современном этапе
- Основные положения школы психологии и человеческих отношений и их значение на современном этапе
- Основные положения школы психологии и человеческих отношений и их значение на современном этапе
- Основные положения школы физиократов
- Основные положения УПК РФ о статусе защитника в уголовном судопроизводстве
- Основные положения устава предприятия
- Основные положения учения И. П. Павлова о высшей нервной деятельности
- Основные положения учения об аллергии. Виды аллергии
- Основные положения философии жизни Фридриха Ницше
- Основные положения философии права Гегеля
- Основные положения характеристики предварительного договора