Хроматографический метод анализа

3) способы проведения  хроматографического анализа;

4) аппаратурное оформление (техника выполнения) процесса

хроматографирования;

5) цель хроматографирования.

По агрегатному состоянию  фаз хроматографию разделяют на газовую и жидкостную. Газовая хроматография включает газожидкостную и газотвердофазную, жидкостная – жидкостно-жидкостную и жидкостно-твердофазную. Первое слово в названии метода характеризует агрегатное состояние подвижной фазы, второе – неподвижной.

По механизму взаимодействия сорбента и сорбата можно выделить несколько видов хроматографии: адсорбционная основана на различии в адсорбируемости веществ твердым сорбентом; распределительная основана на различной растворимости разделяемых веществ в неподвижной фазе (газожидкостная хроматография) или на различной растворимости веществ в подвижной и неподвижной фазах (жидкостная хроматография); ионообменная хроматография – на разной способности веществ к ионному обмену; эксклюзионная хроматография – на различии в размерах и формах молекул разделяемых веществ; аффинная хроматография – на специфических взаимодействиях, характерных для некоторых биологических и биохимических процессов (например, антитело и антиген, гормон и рецептор и др.).

Существует осадочная  хроматография, основанная на образовании отличающихся по растворимости осадков разделяемых веществ с сорбентом, адсорбционнокомплексообразовательная, основанная на образовании координационных соединений разной устойчивости в фазе или на поверхности сорбента, и др. Следует помнить, что классификация по механизму взаимодействия весьма условна: ее используют в том случае, если известен доминирующий механизм; часто процесс разделения протекает сразу по нескольким механизмам.

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). В колоночной хроматографии используют насадочные или капиллярные колонки. Насадочную колонку заполняют сорбентом (насадкой), а внутреннюю стенку капиллярной колонки покрывают пленкой жидкости или пылью адсорбента. В зависимости от цели проведения хроматографического процесса различают 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). Хроматографию часто используют для исследовательских целей при изучении растворов, каталитических процессов, кинетики химических процессов и т.п.

Классификация по способам проведения анализа подразделяет хроматографию на три вида: 1) фронтальный, 2) проявительный, 3) вытеснительный. Фронтальный метод наиболее прост по выполнению. Через хроматографическую колонку с сорбентом непрерывным потоком пропускают раствор или газовую смесь исследуемых веществ, сорбируемость которых увеличивается в ряду А < В < С. Соответственно этому компоненты располагаются в колонке. Однако они разделяются не полностью. В чистом виде может быть выделен лишь первый, наиболее слабо сорбирующийся компонент, который движется вдоль слоя сорбента впереди остальных. За зоной первого компонента следует в непосредственном контакте зона, содержащая первый и второй компоненты. Третья зона содержит смесь первого, второго и третьего компонентов. В некоторый момент времени сорбент насыщается, и наступает «проскок», т.е. из колонки начинают выходить компоненты в соответствии с их сорбируемостью. Если пропускать жидкость или газ, выходящие из колонки, через детектор концентраций и наносить показания его в течение всего опыта на график, то полученная выходная кривая будет иметь форму ступенчатой кривой (рис. 1). Фронтальный метод не нашел широкого применения в анализе, т.к. не дает полного разделения компонентов анализируемой смеси. Однако этот метод весьма эффективен для препаративного выделения чистого вещества из технического образца при условии, что это вещество удерживается в колонке слабее всех других компонентов объекта анализа. Типичные примеры применения фронтального анализа: очистка и умягчение воды ионообменными материалами; очистка воздуха активированными углями от отравляющих веществ в противогазах и вентиляционных фильтрах химических предприятий; концентрирование ценных веществ из сточных промышленных вод металлургических предприятий; очистка лекарственных препаратов и пищевых продуктов с помощью ионообменников и т.д.

Рисунок 1 Выходная кривая фронтального анализа

А, В, С – разделяемые  вещества

 

Проявительный (элюентный) метод выгодно отличается от фронтального тем, что он позволяет полностью разделить многокомпонентную смесь. Хроматографическую колонку промывают растворителем или газом-носителем (элюентом), обладающим меньшей сорбируемостью, чем любое из разделяемых веществ. Затем в колонку вводят исследуемую смесь в виде порции раствора или газа, а не непрерывно, и продолжают пропускать элюент. При этом разделяемые вещества перемещаются вдоль колонки с разными скоростями в соответствии с их сорбируемостью. На выходе из колонки детектор фиксирует непрерывно концентрацию компонентов, а связанный с ним регистрирующий прибор записывает выходную кривую в виде ряда пиков, число которых соответствует числу разделенных компонентов (рис. 2). Проявительный метод анализа получил широкое применение как в жидкостной, так и в газовой хроматографии. Это объясняется тем, что при правильном выборе условий разделения компоненты смеси выходят из колонки в чистом виде, и их можно выделить для исследования другими методами анализа. Кроме того, качественный и количественный состав анализируемой смеси можно определить простым измерением объемов удерживания и площадей пиков соответствующих компонентов на полученной хроматограмме. Вытеснительный метод отличается от фронтального и проявительного тем, что после введения пробы исследуемой смеси колонку

Рисунок 2 Выходная кривая проявительного анализа

 

А, В, С – разделяемые  вещества, Е – растворитель (элюент) промывают растворителем или газом-носителем, к которым добавляют раствор вещества (вытеснитель), обладающего большей сорбируемостью, чем любое из разделяемых веществ. По мере продвижения по колонке элюент вытесняет вещество С, которое в свою очередь вытесняет вещество В и т.д. В результате вытесняемая смесь перемещается впереди фронта вытеснителя и скорость движения вещества 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. Невозможность получения на выходе из колонки достаточно чистых компонентов разделяемой смеси, а также длительность процесса разделения затрудняют использование этого метода в аналитических целях. Однако для препаративных целей метод не потерял значения, так как возможность применения таких высокоактивных и доступных адсорбентов, как активированные угли, позволяет достигнуть высокой производительности. Достоинством метода является также то, что зоны не размываются в отличие от проявительного анализа.

 

 

 

2 МЕТОДЫ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

 

2.1 Газовая хроматография

 

Метод газовой хроматографии, является распространенным видом хроматографии используется в аналитической химии для разделения и анализа соединений, которые могут быть испаряется без разложения. Типичные области применения ГХ включают тестирование чистоты конкретного вещества, или разделения различных компонентов смеси (относительное количество таких компонентов может быть также определены). В некоторых ситуациях, ГХ может помочь в идентификации соединения. В препаративной хроматографии, ГХ может быть использована для подготовки чистые соединения из смеси.

В газовой хроматографии, подвижной фазой является газ-носитель, как правило, инертный газ, например гелий или азот. Стационарной фазой является микроскопический слой жидкости или полимера на инертный твердый носитель, внутри имеется кусок трубы стекла или металла, который называется колонкой. Прибор, используемый для выполнения газовой хроматографии называется газовый хроматограф (или «аэрограф», «газовый сепаратор»).

 

Рисунок 3 Схема работы газового хроматографа: 1 – баллон высокого давления с газом-носителем; 2 – стабилизатор потока; 3 и 3 ' – манометры;

4 – хроматографическая  колонка; 5 – устройство для ввода пробы;

6 – термостат; 7 – детектор; 8 – самописец; 9 – расходомер

 

Анализируемые газообразные соединения взаимодействуют со стенками колонки, которая покрыта различными стационарными фазами. Это заставляет каждое соединение элюировать во время удерживания соединения. Сравнение времени удержания это то, что дает ГХ аналитическую ценность.

Метод газовой хроматографии, похож на хроматографическую колонку (а также другие формы хроматографии, например, ВЭЖХ, ТСХ), но есть несколько заметных отличий. Во-первых, процесс разделения веществ в смеси осуществляется между неподвижной жидкой фазы газа и подвижной фазы, тогда как в колоночной хроматографии стационарная фаза, жидкость она является твердой и подвижной фазой является. (Следовательно, полное имя процедуры "газо-жидкостной хроматографии", ссылаясь на мобильные и стационарные фазы, соответственно.) Во-вторых, колонки, через которые проходит газовая фаза находится в печи, где температура газа может контролироваться, в то время как в колоночной хроматографии (как правило) нет такого контроля. В-третьих, концентрация соединения в газовой фазе зависит от давления паров газа.

Метод газовой хроматографии также похож на фракционную перегонку, так как оба процесса отделены компонентами смеси, в первую очередь на основе кипения (или давления пара). Тем не менее, фракционная перегонка, как правило, используется для разделения компонентов смеси в больших масштабах, в то время как ГХ может быть использована в меньших масштабах.

Чтобы произвести необходимый анализ, в структуру нужно включить : температуру вещества, датчик температуры, температура колонки и температуры программы, газа-носителя и расходов газа-носителя, неподвижной фазы колонки, диаметр и длину, скорость потока, размер выборки и нагнетательной техники. В зависимости от детектора,  установленного на ГХ, можно использовать целый ряд детекторов условия. Некоторые ГК также включает клапаны, которые могут изменить маршрут образцов и носитель потока. Время открытия и закрытия этих клапанов может также иметь важное значение для развития метода.

Типичные газы перевозчики включают гелий, азот, аргон, водород и воздух. Какой газ использовать, как правило, определяется детектором, например, DID требует гелия в качестве газа-носителя. Перевозчик иногда выбирается на основе матрицы образца, например, при анализе смеси аргона, перевозчик аргон является предпочтительным, так как аргон в образце не появляется на хроматограмме. Безопасность и доступность также могут влиять на выбор перевозчика, например, водород воспламеняется, чистый гелий трудно получить в некоторых регионах мира. В результате гелий становится все более дефицитным, чем водород.

Чистота газа-носителя также  часто определяется детектором, как важнейшая характеристик. Как правило, чистота 99,995% и выше используется. Наиболее распространенные классы чистоты требует современных инструментов.

У газа-носителя линейная скорость влияет на анализ так же как и температура. Чем выше линейная скорость, тем быстрее анализ, но ниже расстояние между аналитами. Линейная скорость будет осуществляться с помощью расхода газа-носителя.

В ГХ, сделанные до 1990-х годов, скорость потока носителя косвенно находится под контролем, контролируя давление носителя на входе. Фактический расход был измерен на выходе из колонки или детектором с электронным расходомером. Давление настройки не были изменены во время запуска, и таким образом поток был практически постоянным во время анализа. Соотношение между расходом и давлением на входе рассчитывается с уравнением Пуазейля для сжимаемой жидкости.

Стационарный выбор соединения.

Полярность растворенного  вещества имеет решающее значение для  выбора стационарного соединения, которое  в оптимальном случае имело бы аналогичную полярность, чем растворенное вещество

Вход типов и скорость потока

Выбор типа входа и  технику проведения инъекций зависит  от того, если образец находится в жидком, газообразном, адсорбированном или твердом виде, и от того, испаряется ли растворитель. Растворенный образцы могут быть введены непосредственно в колонку через инжектор COC.

Выбор колонки в зависимости  от образца и активного измерения. Главным атрибутом химического  рассматриваться при выборе колонки  полярность смеси, но функциональные группы могут играть большую роль в столбце  выбора. Полярность образец должен точно соответствовать полярности неподвижной фазы колонки, чтобы увеличить разрешение и разделение при одновременном сокращении времени выполнения. Разделение и время выполнения зависит также от толщины пленки (стационарной фазы), колонки диаметра и длины столбца.

 Зоны разделенных компонентов в потоке газа поступают в хроматографические детекторы. В ГХ используются практически только дифференциальные детекторы (катарометр, пламенно-ионизационный, электронно-захватный, пламенно-фотометрический). Регистратор записывает изменение сигнала во времени. Полученная диаграмма называется - хроматограммой.

Рисунок 4 Хроматограмма

 

Качественный анализ:

Вообще хроматографического  данные представлены в виде графика  отклик детектора (ось у) против сохранения времени (ось абсцисс), которая называется хроматограмме. Это дает спектр пиков для образца представляющих аналитов, присутствующих в образце элюирования из колонки в разное время. Время удерживания могут быть использованы для определения аналитов, если метод условия являются постоянными. Кроме того, структура пиков будет постоянным для образца при постоянных условиях и может идентифицировать сложные смеси аналитов. В большинстве современных приложений Однако GC связано с масс-спектрометром или аналогичных детектор, который позволяет идентифицировать анализируемых представлены пики.