Хроматографический метод анализа

Пористые полимерные сорбенты - наиболее распространенные сорбенты  в газовой хроматографии. Они используются для анализа широкого круга веществ от газов до высококипящих соединений. Особенно широко они применяются при анализе водных растворов. В таблице 4 приведены только два наиболее распространенных у нас пористых полимера. Это порапак Q и полисорб 1. На сегодня известно большое число подобных адсорбентов, которые выпускаются различными фирмами.

Таблица 1

Основные адсорбенты для газовой хроматографии

 

Тип сорбента	Наименование	Удельная поверхность,     м2/ г	Диаметр  пор, нм
Силикагель	Силохром С-80	70 -90	50
Силикагель	Силохром   С-120	100 - 150
Силикагель	Порасил В	120 - 250	10-20
Силикагель	Сферосил 400	300—500	8
Силикагель	Сферосил 200	140—230	15
Графитированная	Карбосив В	100	1,3
термическая сажа	Карбопак В	100	1,5
Натрия алюмосиликат	Молекулярное сито 4А		0,4
Натрия алюмосиликат	Молекулярное сито 13Х		1,0
Кальция алюмосиликат	Молекулярное сито 5А		0,5
Пористый полимер	Порапак Q*	500 - 700	8

*Пористый полимер,  состоящий из этилвинилбензола  сшитого с дивинилбензолом.

 

На рис. 8 показана хроматограмма определения воды в растворителях.

 

Рисунок 8 Определение воды в растворителях

Колонка 2 м, диаметром 4 мм заполнена порапаком Q. Температура 220º, скорость гелия 37 мл/мин. 1 – вода; 2 - метанол; 3 – этанол; 4 – ацетон; 5 – метилэтилкетон; 6 – тетрагидрофуран; 7 – диоксан; 8- диметилформамид.

 

 

2.4 Ионообменная хроматография

 

Ионная хроматография – это вариант ионообменной хроматографии, включающий ионообменное разделение ионов и кондуктометрическое определение концентрации хроматографически разделенных ионов. Поскольку высокочувствительное кондуктометрическое определение ионов возможно только при невысокой фоновой электропроводности потока жидкости, поступающей в детектор, были предложены два основных метода ионной хроматографии.

Метод ионообменной хроматографии  основан на эквивалентном обмене (замещении) ионов твердой фазы  на ионы подвижной фазы.

Ионный обмен наблюдается  при погружении в раствор электролита  ионообменника, который поглощает  из него катионы и анионы, выделяя в раствор эквивалентное число ионов того же знака.

Свойствами ионообменников обладает большое число природных  и синтетических соединений. Важнейшими из них являются синтетические полимерные смолы, полученные сополимеризацией

стирола и дивинилбензола. Любой ионообменник представляет собой матрицу, содержащую способные к обмену ионогенные группы.

Катионообменники представляют собой специально синтезированные  полимерные вещества, содержащие в  своей структуре ионогенные группы кислотного характера: -SO₃H; - PO₃H; -COOH и др.

Анионообменники содержат ионогенные группы основного характера: -N(CH₃)₃; ₌ NH₂ и др.

Химические формулы  катионообменников обычно схематически представляют: RSO₃H;  RSO₃Na, где R – полимерная матрица.

Таблица 2

Классификация ионообменников

Ионообменник	Тип	Фиксирован-ные  ионы
Катионообменник	сильнокислотный	-
	среднекислотный	- , -
	слабокислотный	-COOH
Анионообменник	силиноосновный	-
	среднеосновный	- -
	слабоосновный	-

 

Простейшая методика ионообменного разделения состоит  в поглощении компонентов смеси  ионитом и последовательном элюировании  каждого компонента соответствующим  растворителем. Например, разделение ионов Na и K раствором соляной кислоты (0,1 М HCl).

Рисунок 9 Типичные хроматограммы анализа углеводов. А – сыворотки крови поглощение при 481 нм; Б - анализ мочи; С - идентификация сахаров, концентрация каждого 1 мкмоль/л, поглощение при 481 нм.

 

Использование ионообменной хроматографии высокого давления* позволяет  проводить анализ сыворотки крови, анализ мочи на содержание углеводов. Хроматограмма представлена на рис. 24. 

В 1975 году Смол, Стивенс  и Бауман предложили новый вариант  ионообменной хроматографии – ионную хроматографию. В ионной хроматографии используются поверхностно-пористые сорбенты с небольшой емкостью 0,01-0,1 мэкв/г, объемно-пористые полистирольные ионообменники и объемно-пористые кремнеземы с размером частиц 5-10 мкм. Это позволяет использовать сильно разбавленные растворы элюентов.

В этом методе разделение ионов сочетают с кондуктометрическим  их определением. Поскольку высокочувствительное кондуктометрическое определение  возможно только при невысокой фоновой  электропроводности потока жидкости, поступающей в детектор, фоновый электролит подвижной фазы, предварительно удаляют пропусканием его через ионообменные смолы.

Предложены два основных метода ионной хроматографии.

Двухколоночная  ионная хроматография, основанная на компенсации (подавлении) электролита, содержащегося в элюенте для разделения смеси ионов на колонке с помощью второй (компенсационной) ионообменной  колонки, расположенной между детектором и разделительной колонкой.

Другим вариантом ионной хроматографии является одноколоночная ионная хроматография, основанная на использовании электролита с невысокой электропроводностью. В этом случае компенсационная колонка отсутствует.

Оптимизация условий  в ионной хроматографии заключается  в поиске наиболее селективного и эффективного разделения ионов в сочетании с минимизацией времени анализа. Большое внимание уделяется чувствительности детектирования. Оптимальными являются условия разделения, при которых время выхода последнего хроматографического пика не превышает 20 мин, а разрешение соседних пиков равно 1,0-1,5.

В настоящее время  условия определения выбирают эмпирически, путем подбора подходящего   сорбента и подвижной фазы. Выбор  детектора зависит от условий  разделения, характера задачи и анализируемого образца.  Равновесие ионного обмена между определяемым и элюирующим ионами является основой оптимизации условий разделения. При элюировании иона X ионом Е равного заряда концентрации С в системе устанавливается ионообменное равновесие

Оно характеризуется константой ионного обмена, или коэффициентом селективности который равен

                                        (2)

где и — равновесные концентрации определяемого и элюирующего ионов в фазе ионообменника, а [X] и [Е] — равновесные концентрации этих ионов в подвижной фазе.  

Отношение / [X] является коэффициентом   распределения (D_x) определяемого иона X и характеризует способность этого иона удерживаться сорбентом. Тогда

                                 (3)

Если удельная обменная емкость сорбента Q, то при малых заполнениях колонки = Q - »Q, а [Е] ≈С_Е .

  Заполнение колонки не должно превышать 10%. Иными словами, количество определяемого иона должно быть как минимум в 10 раз меньше обменной удерживания сорбента.  В этом случае

                              (4)                                                  

Согласно основному  уравнению хроматографии (30) исправленный удерживаемый  объем  V’_R равен

V’_R = D_х V_s,   где V_s — объем сорбента.

Отсюда, учитывая уравнение 1, {выражая D_x }

                                  (5)

В ионной хроматографии  удерживание иона на сорбенте чаще характеризуют величиной приведенного времени удерживания    { = V’_R/u}, которое равно

     ,               (6)

где u — объемная скорость элюента. Объем сорбента обычно определяют по его пористости (e) и общему объему колонки V:

V_s = (l - e)×V.                                         (7)

Тогда уравнение 41 принимает  вид: 

         ,                             (8)

  Таким образом, время удерживания иона X при элюировании ионом Е прямо пропорционально коэффициенту селективности , обменной удерживания Q и объему сорбента V. В то же время удерживание иона обратно пропорционально концентрации элюирующего иона и объемной скорости элюента. Уравнения (5) и (7) используют при выборе условий ионохроматографического определения. Эти уравнения позволяют теоретически оценить возможность использования того или иного элюента или сорбента для разделения анализируемой смеси.

Экспериментально установлены  ряды селективности ионов по отношению  к ионообменникам. Так, на сильнокислотных катионообменниках наблюдается следующий порядок элюирования: Такой же порядок элюирования мы видим и на рис. 10. В общем случае  время удерживания ионов будет возрастать в таком порядке

На сильнокислотных  анионообменниках анионы располагаются  в следующем порядке  .

Хроматограмма неорганических анионов представлена на рис.11.

На элюирующую силу подвижной  фазы большое влияние оказывают  рН, природа буферного раствора, ионная сила, содержание органического растворителя.

 

Рисунок 10 Хроматограмма анализа катионов с азотнокислым элюентом

Рисунок 11 Хроматограмма анализа неорганических анионов с карбонатным элюентом

 

Ион-парная хроматография. Ион-парная хроматография является еще одним вариантом ионообменной хроматографии. Она позволяет проводить определение ионогенных веществ на колонках с химически модифицированным силикагелем (С₈, С₁₈). При этом в подвижную фазу вводят небольшие количества (0,001-0.01М), которое называют ион-парным реагентом. В качестве ион-парных реагентов используются додецилсульфат натрия, фосфат тетрабутиламмония и некоторые другие вещества. Эти вещества сорбируются за счет неспецифического взаимодействия с С₁₈ на сорбенте и придают ему свойства ионообменника. В зависимости от природы ион-парного реагента сорбент приобретает свойства катионообменника или анионообменника. Так, соли тетраалкиламмония (фосфат тетрабутиламмония) при рН 3-7 придают сорбенту свойства анионообменника. Алкилсульфаты натрия при рН 2-5 придают сорбенту свойства катионообменника.

Существует иная гипотеза, объясняющая разделение ионных соединений методом ион-парной хроматографии. По ней ион-парный реагент образует с анализируемым веществом ионную пару в подвижной фазе. Свойства этой пары и определяют времена удерживания разделяемых компонентов.

 

2. 5 Тонкослойная и бумажная хроматография

 

Бумажная хроматография.

Вместо пластинок с  нанесенным тонким слоем сорбента можно использовать специальную хроматографическую бумагу в виде листов или полосок. Хроматографическая бумага должна быть химически чистой, нейтральной, инертной по отношению к компонентам раствора и подвижной фазе и быть однородной по плотности; имеют значение структура молекул целлюлозы в бумаге, ориентация волокон и другие свойства, влияющие на скорость движения подвижной фазы. Основные операции в бумажной хроматографии проводятся примерно так же, как и в тонкослойной.

Для разделения водорастворимых веществ, например, неорганических ионов, в качестве подвижной фазы обычно берут органический растворитель, а в качестве неподвижной – воду (бумагу заранее смачивают водой). Для разделения компонентов, хорошо растворимых в органических растворителях, гидрофильную бумагу превращают в гидрофобную, пропитывая ее растворами органических веществ (парафина, растительного масла и др.), а в качестве подвижной фазы используют воду, водный раствор какой-либо кислоты или щелочи, буферный раствор. Растворители подвижной и неподвижной фаз не должны смешиваться, состав растворителя в процессе хроматографирования не должен изменяться, растворители должны легко удаляться с бумаги. Индивидуальные растворители используются достаточно редко. Чаще для этой цели применяют смеси веществ, например, бутилового или амилового спирта с метиловым или этиловым, смеси бутилового спирта с уксусной кислотой, аммиаком и др. По технике выполнения различают следующие виды бумажной хроматографии: одномерную, двумерную, круговую и электрофоретическую.

Для получения двумерных  хроматограмм хроматографирование проводят дважды: после обработки пробы одним растворителем хроматограмму поворачивают на 90° и хроматографируют вторично уже другим растворителем. Такая методика позволяет проводить более тонкие разделения компонентов смеси.

Специфическим приемом является сочетание БХ и электрофореза. Для этого к влажному листу хроматографической бумаги прикладывают постоянное электрическое напряжение. Дополнительное воздействие электрического поля приводит к более четкому разделению, особенно для ионов с разными зарядами. Электрофорез можно проводить одновременно с хроматографированием, а также до или после хроматографирования. Качественный состав пробы в методе бумажной распределительной хроматографии так же, как и в ТСХ, может быть установлен или по специфической окраске отдельных пятен на хроматограмме, или по численному значению Rfкаждого компонента. Количественные определения в БХ выполняются по хроматографическим характеристикам (по площади пятна на хроматограмме и интенсивности его окраски) или после вымывания подходящим физико-химическим методом. Отметим, что метод бумажной хроматографии, предложенный в 1941 г. Мартином и Синджем, в настоящее время используют в аналитических лабораториях довольно редко.