Основные положения хроматографии

 

 

Рис. 1. Типичная блок-схема газожидкостного хроматографа.

 

1 - баллон с газом-носителем; 2 - блок стабилизации газового потока; 3 - аналитический блок, состоящий из термостата, колонок и ротаметра; 4 - детектор; 5 - усилитель; 6 - самопишущий потенциометр; 7 - блок программированного изменения температуры колонки.

 

Газ-носитель. В качестве газа-носителя обычно применяют аргон, гелий, азот, водород, воздух. Выбор газа зависит от типа детектора и некоторых других причин. Чем больше относительная молекулярная масса газа-носителя, тем выше качество разделения компонентов анализируемой смеси (благодаря уменьшению их диффузии). Газы с меньшей молекулярной массой обеспечивают лучшую чувствительность детекторов по теплопроводности.

Наибольшая эффективность хроматографической колонки достигается при постоянной скорости потока газа-носителя. Обычно используются скорости потоков 75-100 мл/мин для колонок с внешним диаметром 6 мм и 25-50 мл/мин для колонок с внешним диаметром 3 мм. Скорость газа-носителя определяется вмонтированными в прибор ротаметрами. Для обеспечения устойчивости газового потока приборы снабжаются стабилизаторами давления. Газы для хроматографии должны быть тщательно осушены, так как вода снижает точность определения. Другие примеси практически не влияют на удерживаемые объемы, но ухудшают стабильность показаний и чувствительность детекторов.

 

 

 

Рис. 2. Типичная газовая хроматограмма  хлороформа.

 

1 - н-гептан; 2 - метиленхлорид; 3 - 1,1 дихлорэтан; 4 - четыреххлористый углерод; 5 - хлороформ.

 

Колонки. Применяемые  в ГЖХ колонки представляют собой U-образные или свернутые в спираль металлические трубки длиной от 1 до 5 м и диаметром 3-6 мм, заполненные твердым сорбентом с нанесенной на него жидкой нелетучей фазой. Твердые носители должны быть химически инертными, иметь большую удельную поверхность (обычно 5-10 м2/г) и обладать механической и термической стойкостью. Для обеспечения максимальной эффективности колонки следует использовать носители с узким диапазоном размеров зерен. Наиболее часто рекомендуются диапазоны размеров зерен в мешках: 60/80, 80/100 или 100/120. С уменьшением размеров зерен увеличивается эффективность разделения, но возрастает сопротивление колонки и соответственно время удерживания.

Большинство носителей изготовляют  из диатомитовой земли, представляющей собой разновидность водной миккроаморфной двуокиси кремния, содержащей примеси окислов металлов, и огнеупорного кирпича, свойства которого близки к свойствам диатомитовой земли. Огнеупорный кирпич имеет, как правило, более развитую поверхность и предпочтителен для работы с длинными колонками. Носители, изготовляемые на основе диатомитовой земли и огнеупорного кирпича, - это хромосорб, диатом, целатом, S-80 и др. Ряд носителей изготавливают на основе полимеров (анапорт, флуоропак, хромосорб Т, порапак и др.), а также из стекла и двуокиси кремния. В некоторых случаях адсорбент перед нанесением жидкой фазы промывают спиртовой щелочью или слабой кислотой либо обрабатывают диметилдихлорсиланом для увеличения химической инертности.

 

Эффективность хроматографического  разделения компонентов анализируемой  смеси во многом зависит от правильного выбора неподвижной фазы. Неподвижная фаза должна обладать очень низким давлением пара при рабочей температуре, так как в противном случае она будет испаряться в процессе работы колонки. Неподвижная фаза должна быть термически стойкой и оставаться в жидком состоянии во всем интервале температур, при которых работает колонка. Она должна обладать достаточной растворяющей способностью по отношению к определяемым веществам.

 

В большинстве случаев для приготовления  колонок используют от 1 до 30% жидкой фазы от массы носителя. Колонки с содержанием жидкой фазы более 20% применяют в препаративной хроматографии. Более эффективное разделение, как правило, достигается при использовании колонок с низким содержанием жидкой фазы. Для выбора подходящей неподвижной фазы часто приходится применять метод проб и ошибок. Во многих случаях полезным оказывается правило: "подобное растворяется в подобном". В соответствии с этим такие вещества, как углеводороды, хорошо анализируются на неполярных фазах, а полярные соединения на неполярных фазах делятся плохо и выходят из колонки значительно быстрее, чем неполярные, кипящие при той же температуре (табл. 4).

 

Детекторы. При помощи детектора  измеряют состав газа, выходящего из колонки. В настоящее время используют дифференциальные детекторы, которые позволяют измерять концентрацию компонента в данный момент. При выходе чистого газа-носителя такой детектор дает нулевой сигнал. Наибольшее распространение получили катарометр и пламенно-ионизационный детектор (ДИП). Катарометр регистрирует изменение теплопроводности газа-носителя, вызванное появлением анализируемого вещества. При работе пламенно-ионизационного детектора происходит ионизация анализируемых веществ в процессе их сгорания в пламени водорода. Образующиеся ионы рекомбинируют на электродах. Возникающий при этом ток пропорционален концентрации ионов и напряжению на электродах. Катарометр проще по устройству и удобнее в работе, но значительно менее точен, чем ионизационный детектор.

Наиболее распространенные неподвижные фазы, применяемые в ГЖХ:

Усиленный сигнал детектора записывается на движущейся диаграммной бумаге в  виде хроматографических пиков (см. рис. 24). В основе количественного хроматографического  анализа лежит измерение площади  регистрируемого пика, которая пропорциональна концентрации вещества в пробе. На современных приборах площадь пика определяется с помощью интегратора. При отсутствии интегратора площадь может быть определена как произведение высоты пика на его полуширину (ширина пика на половине его высоты).

Расчет концентрации анализируемого вещества производят различными методами. При использовании метода абсолютной калибровки предварительно строят калибровочные кривые, связывающие  площадь хроматографического пика с концентрацией анализируемого вещества. Затем определяют площадь пика для пробы с неизвестной концентрацией и находят концентрацию по калибровочной кривой. Необходимо точно выдерживать постоянство условий анализа, так как площадь пика зависит от скорости газа-носителя, температуры, метода ввода пробы и других факторов. При соблюдении всех правил относительная ошибка определения составляет менее 1%.

Если постоянство условий  проведения анализа по каким-либо причинам выдержать невозможно, используют метод  внутреннего стандарта. Калибровка производится при добавлении определенных количеств вещества - стандарта к смеси с известной концентрацией анализируемых веществ. На основании полученных данных строят кривую зависимости содержания исследуемого вещества и отношения площадей пиков исследуемого вещества и стандарта.

Советская промышленность выпускает большое число моделей  хроматографов. Одними из наиболее совершенных  и распространенных приборов являются хроматографы серии "Цвет-100" (Цвет-101, 102, 103, ... 120 ... 150 и т. д.). Каждая из модификаций  представляет определенную комбинацию стандартных блоков (блоки детекторов, блок подготовки газов и т. д.).

"Цвет-ПО" является  одной из наиболее универсальных  моделей хроматографов, предназначенных  для количественного и качественного  анализа органических и неорганических веществ и определения микропримесей в широком диапазоне температур кипения, а также для анализа агрессивных и неустойчивых соединений на стеклянных колонках. В приборе использована двухколоночная газовая схема с независимой установкой расхода газа-носителя. Колонки набивные U-образные, микронабивные, капиллярные и препаративные. Специальное аналитическое оборудование, поставляемое в комплекте (оборудование для пиролиза), дает возможность анализировать высокомолекулярные вещества, выделять отдельные компоненты для идентификации. Хроматограф снабжен набором детекторов. Максимальная температура колонок 400 С, а испарителя - 450 С. Порог чувствительности ионизационно-пламенного детектора и детектора электронного захвата 1*10в-7, катарометра - 1*10в-3, плотномера - 1*10в-2.

 

2.4. Жидкость-жидкостная хроматография

 

В жидкость – жидкостной хроматографии (ЖЖХ) молекулы образца распределяются между жидкими неподвижной и подвижной фазами (подобно жидкостной экстракции), которые не должны растворяться друг в друге.

Жидкостно-жидкостная хроматография (ЖЖХ) по сути, близка к газожидкостной хроматографии. На твердый носитель также наносится пленка жидкой фазы и через колонку, наполненную  таким сорбентом, пропускают жидкий раствор. Жидкость, нанесенную на носитель, называют неподвижной жидкой фазой, а растворитель, передвигающийся через носитель, - подвижной жидкой фазой. ЖЖХ может проводиться в колонке (колоночный вариант) и на бумаге (бумажная хроматография, или хроматография на бумаге)

Жидкость-жидкостная хроматография при исследовании химического состава нефтей применяется ограниченно. Ее можно проводить в колонках с носителем, пропитанным растворителем, или на бумаге. Так, методом ЖЖХ возможно концентрирование алканов из смесей с моно- и бициклическими циклоалканами бензиновых фракций при использовании в качестве неподвижной фазы анилина или метилового эфира этиленгликоля на силикагеле, а в качестве подвижной фазы — перфторалифатических соединений, обладающих повышенной растворяющей способностью по отношению к алканам.

В последнее время  наблюдается возрождение ЖЖХ  благодаря созданию совершенных  жидкофазных хроматографов с  чувствительными детекторами и  автоматической записью хроматограмм. Для повышения скорости анализа  и эффективности разделения ЖЖХ  проводят под давлением до 30 МПа. Наиболее целесообразно использование ЖЖХ для исследования высокомолекулярных соединений нефти.

Бумажная хроматография, открытая в 1941 г. А. Мартином и Р. Синджем, является одним из вариантов ЖЖХ. Роль хроматографической колонки выполняет полоска пористой бумаги, неподвижной фазой служит вода, удерживаемая волокнами целлюлозы, а подвижной — органические растворители. Бумажная хроматография применяется при анализе смолистых веществ и асфальтенов. Полоску бумаги погружают в спиртобензольный раствор образца и оставляют на 12—14 ч, в течение которых на бумаге образуется хроматограмма, а растворитель улетучивается. При облучении бумаги ультрафиолетовым светом зона смол дает ярко-желтую люминесценцию. а асфальтены — темно-коричневую.

Вместо бумажной хроматографии можно использовать тонкослойную хроматографию. Адсорбент, например силикагель, распределяют равномерным слоем толщиной «1 мм на стеклянной пластине, для закрепления слоя добавляют инертное вяжущее вещество. Анализируемый образец наносят на один край пластины и погружают ее в растворитель, который постепенно мигрирует в слое адсорбента. При этом происходит образование зон компонентов образца, причем как и в хроматографической колонке, быстрее всего перемещаются наименее полярные компоненты. Методом тонкослойной хроматографии недавно было установлено высокое содержание (до 15—20%) алкенов в некоторых нефтях.

 

2.5. Жидкостная адсорбционная хроматография

 

В колоночной жидкостной хроматографии в качестве неподвижных  фаз широкое распространение получили оксид алюминия и силикагель. Реже применяют синтетический силикат магния (флоризил), оксид магния, пористые стекла, пористые полимеры и неполярный адсорбент - активированный уголь. С появлением ВЭЖХ силикагель стал основной полярной неподвижной фазой. Таким образом, жидкостная адсорбционная хроматография (ЖАХ) на силикагеле - нормально-фазовая хроматография, в которой неподвижная фаза более полярна, чем подвижная. Для формирования ПФ в этом варианте хроматографии в качестве растворителей применяют неполярные алифатические углеводороды или дихлорметан, а в качестве модифицирующих добавок - спирты, простые ациклические и циклические эфиры, сложные эфиры, галогеналканы.

 

Главные преимущества силикагеля - относительная инертность, большая  адсорбционная емкость, он легко поддается модификации: различные его типы значительно отличаются по размерам пор и суммарной удельной поверхности, измеренным в стандартных условиях. Поверхность силикагеля также можно модифицировать или покрыть пропитывающей средой.

В настоящее время известно более ста сортов (различных модификаций) силикагеля, а так же ряд силикагелей с химически модифицированной поверхностью, однако выбор элюента в ЖАХ играет более значимую роль, чем выбор неподвижной фазы. Меняя природу ПФ, можно в широких пределах изменять объемы удерживания и селективность разделения на одних и тех же адсорбентах.

Силикагель SiO2·хН20 имеет  аморфную структуру, его внутренняя поверхность энергетически неоднородна  из-за наличия нескольких типов беспорядочно распределенных силанольных ОН-групп. Кроме ОН-групп в адсорбционных процессах участвуют и поверхностные силоксановые группы ≡Si-O-Si≡. Присутствующая в силикагеле вода удерживается в нем в результате взаимодействия с поверхностными силанольными группами и за счет капиллярной конденсации.

а) свободная ОН-группа

б) связанная ОН-группа

в) геминальная ОН-группа

г) реакционноспособная  ОН-группа.

 

ЖАХ основана на конкурентном взаимодействии полярных групп вещества и молекул растворителя с активными  центрами адсорбента на его внутренней поверхности. Поверхность силикагеля, находящегося в равновесии с подвижной фазой всегда покрыта более или менее прочно связанным адсорбционным слоем. Если подвижная фаза содержит два или более компонентов, то состав адсорбционного слоя отличается от состава в объеме подвижной фазы. Адсорбция молекулы сорбата может происходить с вытеснением одной или нескольких молекул адсорбированного слоя или без него. Процессы взаимодействия молекул сорбата с адсорбционными слоями и поверхностью твердого адсорбента весьма сложны, главную роль в них играют ион-дипольные и диполь-дипольные взаимодействия. Селективность разделения в ЖАХ определяется не только межмолекулярным взаимодействием молекул данного сорбата, но и межмолекулярными взаимодействиями молекул ПФ как с адсорбентом, так и с молекулами сорбата, находящимися как на поверхности адсорбента, так и в адсорбционном слое и в объеме элюента.