Хроматография и её виды

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 способом основано на различной сорбируемости компонентов смеси. В процессе хроматографирования так называемая подвижная фаза (элюент), содержащая анализируемую пробу, перемещается через неподвижную фазу. Обычно неподвижная фаза представляет собой вещество с развитой поверхностью, а подвижная – поток газа или жидкости, фильтрующейся через слой сорбента. При этом происходит многократное повторение актов сорбции – десорбции, что является характерной особенностью хроматографического процесса и обуславливает эффективность хроматографического разделения.

Качественный хроматографический анализ, т.е. индетификация вещества по его хроматограмме, может быть выполнен сравнением хроматограических характеристик, чаще всего удерживаемого объема (т.е. объема подвижной фазы, пропущенной через колонку от начала ввода смеси до появления данного компонента на выходе из колонки), найденных при определенных условиях для компонентов анализируемой смеси и для эталона.

Количественный хроматографический анализ проводят обычно на хроматографе. Метод основан на измерении различных параметров хроматографического пика, зависящих от концентрации хроматографируемых веществ – высоты, ширины, площади и удерживаемого объема или произведения удерживаемого объема на высоту пика.

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 внутренней нормализации принимают сумму каких-либо параметров пиков, например сумму высот всех пиков или сумму их площадей, за 100%. Тогда отношение высоты отдельного пика к сумме высот или отношение площади одного пика к сумме площадей при умножении на 100 будет характеризовать массовую долю (%) компонента в смеси. При таком подходе необходимо, чтобы зависимость величины измеряемого параметра от концентрации была одинаковой для всех компонентов смеси.

 

Газовая хроматография

Несмотря на то, что метод газовой хроматографии был открыт только в 1952 году, теория процесса разделения смесей веществ этим методом на настоящее время разработана гораздо глубже, чем для других методов. Это объясняется прежде всего тем, что методы газовой хроматографии использовались в практике гораздо интенсивнее других.

Отличительной особенностью газовой хроматографии от других методов хроматографических разделений является то, что используемая подвижная фаза должна обязательно находится в газообразном состоянии и выполнять роль газа-носителя, перемещающего разделяемые соединения по колонке. В качестве газов-носителей могут быть использованы индивидуальные газы, газообразные соединения или смеси газов и газообразных соединений.

Характерными особенностями газовой хроматографии являются:

 

• Высокая разделительная способность: по своим возможностям анализа многокомпонентных смесей газовая хроматография не имеет конкурентов. Ни один другой метод не позволяет анализировать фракции нефти, состоящие из сотен компонентов, в течение одного часа.
• Универсальность: разделение и анализ самых различных смесей – от низкокипящих газов до смесей жидких и твердых веществ с температурой кипения до 500оС и выше – характеризует универсальность метода. В нефтехимической и газовой промышленности 90−100 % всех анализов можно выполнять методом газовой хроматографии.
• Высокая чувствительность: высокая чувствительность метода обусловлена тем, что применяемые детектирующие системы позволяют надежно определять концентрации 10-8 – 10-9 мг/мл. Используя методы концентрирования и селективные детекторы, можно определять микропримеси с концентрациями до 10-10%.
• Экспрессность: экспрессность газовой хроматографии подчеркивается тем, что продолжительность разделения в большинстве случаев составляет 10−15 минут, иногда при разделении многокомпонентных смесей 1−1.5 часа. Однако за это время анализируется несколько десятков или сотен компонентов. В некоторых специальных случаях время разделения может быть меньше одной минуты.
• Легкость аппаратурного оформления: газовые хроматографы относительно дешевы, достаточно надежны, имеется возможность полной автоматизации процесса анализа.
• Малый размер пробы: газовая хроматография по существу метод микроанализа, поскольку для анализа достаточно пробы в десятые доли мг.
• Высокая точность анализа: погрешность измерений ± 5 % относительных легко достигается практически на любой газохроматографической аппаратуре. В специальных условиях достигается погрешность ±0.001−0.002% относительных.

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).

 

Газовый хроматограф. Принципиальная схема

 

Любая газохроматографическая установка обязательно должна содержать следующий перечень узлов:

 

• источник газа-носителя;
• вентиль тонкой регулировки скорости потока газа-носителя;
• устройство для ввода пробы;
• хроматографическая колонка;
• детектор;
• термостат колонки и термостат детектора;
• регистратор;
• измеритель скорости потока газа-носителя.

Рассмотрим назначение и устройство основных узлов газохроматографической установки.

 

Рис. 1. Принципиальная схема газового хроматографа (1 − источник газа-носителя; 2 − вентиль тонкой регулировки скорости потока газа-носителя; 3 − устройство для ввода пробы; 4 − хроматографическая колонка; 5 − детектор; 6 – термостат колонки и термостат детектора; 7 − регистратор; 8 − измеритель скорости потока газа-носителя)

Варианты метода

 

При классификации вариантов методов газовой хроматографии предполагается, что подвижная фаза (газ-носитель) абсолютно инертна к неподвижной фазе и разделяемым соединениям.

Таким образом, классификация вариантов основывается только на особенностях неподвижной фазы.

В качестве неподвижной фазы в газовой хроматографии используется или твердый адсорбент, или жидкость, нанесенная в виде тонкой пленки на адсорбционно-инертный твердый носитель.

В соответствии с типом используемых неподвижных фаз газохроматографические методы подразделяются на газо-адсорбционный и газо-жидкостный. Разделение компонентов анализируемой смеси в газо-адсорбционном варианте основано на различии разделяемых веществ в величинах адсорбции на поверхности адсорбента, а в случае газожидкостной хроматографии на различии в растворимости компонентов анализируемой смеси в неподвижной жидкой фазе.

 В том случае, если используемый твердый носитель неподвижной жидкой фазы проявляет адсорбционные свойства, реализуется промежуточный вариант газовой хроматографии – газо-жидко-твердофаная хроматография.

Каждый из вариантов характеризуется своими положительными чертами и недостатками, которые обязательно следует учитывать при выборе оптимального метода разделения каждой конкретной смеси.

 

Жидкостная хроматография

В общем случае к жидкостной хроматографии относят все хроматографические методы, в которых подвижной фазой является жидкость. Можно выделить 8 систематизирующих признаков для группировки хроматографических методов.

1) По агрегатному состоянию фаз хроматографической системы методы жидкостной хроматографии классифицируют на жидкостно-адсорбционную, жидкостно-жидкостную и противоточную жидкостную хроматографию.

2) По способу перемещения сорбата различают следующие виды жидкостной хроматографии: вытеснительная, фронтальная, элюентная, изократическая, градиентная, с программированием температуры, давления и скорости потока элюента.

3) По конфигурации разделяющей системы выделяют планарную (бумажную, тонкослойную), колоночную, микроколоночную, многоколоночную, циркуляционную, многомерную, перколяционную хроматографию и мультихроматографию.

4) По относительной полярности подвижной и неподвижной фаз различают нормально- и обращенно-фазовую жидкостную хроматографию.

5) По механизму разделения выделяют адсорбционную, распределительную, эксклюзионную, афинную, лигандообменную, ионообменную и другие виды жидкостной хроматографии.

6) По цели и задачам можно выделить аналитическую, препаративную и обращенную ситовую хроматографию.

7) По химическому превращению сорбата выделяют реакционную и осадочную хроматографию.

8) По способу детектирования различают хроматографические методы сочетающие разделение компонентов смеси с прямым детектированием веществ оптическими детекторами, работающими в ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной области, рефрактометрическими, эмиссионными, флуориметрическими, хемилюминесцентными, электрохимическими и другими детекторами.

Области применения основных вариантов жидкостной хроматографии в зависимости от молекулярной массы схематично приведены на рисунке.

Очевидно, что сфера приложения жидкостной хроматографии составляет львиную долю всех известных химических веществ и микробиологических субстанций. Если методы газовой хроматографии ограничиваются молекулярными массами веществ, которые при повышенной температуре можно перевести в паровую фазу и подать через испаритель в колонку, то для решения конкретной хроматографической задачи методами жидкостной хроматографии необходимо лишь тщательно подобрать состав подвижной фазы, соответствующий физическим и химическим свойствам сорбата, сорбента, возможностям детектирующего устройства и технико-эксплуатационным свойствам периферии хроматографической системы.

 

Ионообменная (колоночная) хроматография

Метод ионообменной хроматографии основан на обмене ионов между анализируемым веществом, находящемся в растворе, и сорбентом.

Сорбенты содержат ионогенные группы, способные к диссоциации и обмену ионами с анализируемым раствором. Такие сорбенты называют ионитами или ионообменниками.

Они относятся к группе высокомолекулярных соединений и по характеру ионного обмена делятся на два типа: 1) катиониты, обладающие подвижными катионами и обменивающие их на катионы из анализируемого раствора (придающие ионитам свойства кислот); 2) аниониты, обладающие подвижными анионами и обменивающие их на анионы анализируемого раствора (придающие ионитам свойства оснований).

В молекулах катионитов различных марок находятся активные S0₃H^_, COOH^- группы и др. В молекулах анионитов - аминогруппы, четвертичные аммониевые основания и др.

Катиониты выпускаются в Н-форме и солевой форме. Катионит в Н-форме содержит обменные ионы водорода, а в солевой форме - катионы металлов. Анионит в ОН-форме содержит обменные ионы гидроксила, а в солевой - анионы кислот.

При взаимодействии солей с катионитами в Н-форме процесс обмена катионов происходит по реакции:

Аналогично протекает реакция при взаимодействии солеи с анионитами в ОН-форме:

В том и другом случае выделяется эквивалентное количество соответственно кислоты или щелочи, которые могут быть оттитрованы соответствующим титрантом, после чего рассчитывают процент определяемой соли (NaCl).

Таким образом, ионообменная хроматография не является самостоятельным методом количественного анализа. Ее используют как вспомогательный метод для разделения и выделения веществ. Выделенные компоненты определяют далее обычными химическими, физическими или физико-химическими методами.

Хроматографическое разделение на ионообменных сорбентах широко используют в практике количественного анализа, особенно в тех случаях, когда количественное определение веществ без их предварительного хроматографического разделения невозможно.

Ионообменная хроматография имеет широкие границы применения, например, метод этот используют для определения концентрации солей в растворах электролитов; для разделения ионов путем выделения одного из них (или группы ионов) из смеси; для концентрирования веществ из сильно разбавленных растворов; для удаления из раствора ионов, мешающих выполнению анализа.

В фармацевтическом анализе ионообменная хроматография широко используется для количественного определения солей органических и минеральных кислот, солей алкалоидов и азотистых оснований и других групп лекарственных веществ.