Хроматография как метод исследования

Размещено на http://www.allbest.ru

ОГЛАВЛЕНИЕ:

1. История открытия и развития хроматографии

2. Основные положения

3. Классификация хроматографических методов анализа

4. Адсорбционная хроматография. Тонкослойная хроматография

4.1 Техника эксперимента в тонкослойной хроматографии

5. Газовая хроматография

5.1 Газо-адсорбционная хроматография

5.2 Газо-жидкостная хроматография

6. Распределительная хроматография. Бумажная хроматография

7. Осадочная хроматография

7.1 Классификация способов осадочной хроматографии по технике эксперимента

7.2 Осадочная хроматография на бумаге

8. Ионообменная хроматография

Заключение

Список литературы

Задачи



1. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ И РАЗВИТИЯ ХРОМАТОГРАФИИ

Первооткрывателем хроматографии был русский ученый, ботаник и физикохимик Михаил Семёнович Цвет.

Открытие хроматографии относится ко времени завершения Цветом работы над магистерской диссертацией в Петербурге (1900 - 1902) и первому периоду работы в Варшаве (1902 - 1903). Исследуя пигменты растений, Цвет пропустил раствор смеси очень мало различающихся по цвету пигментов через трубку, заполненную адсорбентом - порошкообразным карбонатом кальция, и промыл затем адсорбент чистым растворителем. Отдельные компоненты смеси при этом разделились и образовали цветные полосы. Согласно современной терминологии Цвет открыл проявительный вариант хроматографии (проявительную жидкостно-адсорбционную хроматографию). Основные итоги исследований по развитию созданного им варианта хроматографии Цвет изложил в книге “Хромофиллы в растительном и животном мире” (1910), которая является его докторской диссертацией. хроматография газовый осадочный ионообменный

Цвет широко использовал хроматографический метод не только для разделения смеси и установления ее многокомпонентности, но и для количественного анализа, с этой целью он разбивал стеклянную колонку и разрезал столбик адсорбента на слои. Цвет разработал аппаратуру для жидкостной хроматографии, впервые осуществил хроматографические процессы при пониженном давлении (откачке) и при некотором избыточном давлении, разработал рекомендации по приготовлению эффективных колонок. Кроме того, он ввел многие основные понятия и термины нового метода, такие как «хроматография», «проявление», «вытеснение», «хроматограмма» и др.

Хроматографию сначала использовали очень редко, ее скрытый период длился около 20 лет, в течение которых появилось лишь очень небольшое число сообщений о различных применениях метода. И только в 1931 г. Р. Куну (Германия) А. Винтерштейну (Германия) и Э. Ледереру (Франция), работавшим в химической лаборатории (руководимой Р. Куном) Института императора Вильгельма по медицинским исследованиям в Гейдельберге, удалось выделить этим методом a- и b-каротин из сырого каротина и тем самым продемонстрировать ценность открытия Цвета.

Важным этапом в развитии хроматографии стало открытие советскими учеными Н.А. Измайловым и М.С. Шрайбер метода хроматографии в тонком слое (1938), позволяющего проводить анализ с микроколичеством вещества.

Следующим важным шагом явилось открытие А. Мартином и Р. Сингом (Англия) варианта жидкостной распределительной хроматографии на примере разделения ацетильных производных аминокислот на колонке, заполненной силикагелем, насыщенным водой, с использованием хлороформа в качестве растворителя (1940) . Тогда же было отмечено, что в качестве подвижной фазы может быть использована не только жидкость, но и газ. Несколькими годами позднее эти ученые предложили осуществлять разделение производных аминокислот на смоченной водой бумаге с бутанолом в качестве подвижной фазы. Они же осуществили первую двумерную систему разделения. За открытие распределительного варианта хроматографии Мартин и Синг получили Нобелевскую премию по химии. (1952). Далее Мартин и А. Джеймс осуществили вариант газовой распределительной хроматографии, разделив смеси на смешанном сорбенте из силикона ДС-550 и стеариновой кислоты (1952 - 1953). С этого времени наиболее интенсивное развитие получил метод газовой хроматографии.

Одним из вариантов газовой хроматографии является хроматермография, при которой для улучшения разделения смеси газов одновременно с движением подвижной фазы - газа, воздействуют на сорбент и разделяемую смесь движущимся температурным полем, имеющим определенный градиент по длине (А.А. Жуховицкий и сотр., 1951) .

Заметный вклад в развитие хроматографического метода внес Г. Шваб (Германия), явившийся основателем ионообменной хроматографии (1937 - 1940). Дальнейшее развитие она получила в работах советских ученых Е.Н. Гапона и Т.Б. Гапона, которые провели хроматографическое разделение смеси ионов в растворе (совместно с Ф.М. Шемякиным, 1947), а также осуществили высказанную еще Цветом идею о возможности хроматографического разделения смеси веществ на основе различия в растворимости труднорастворимых осадков (осадочная хроматография, 1948).

Современный этап в развитии ионообменной хроматографии начался в 1975 г. после работы Г. Смолла, Т. Стивенса и У. Баумана (США), в которой они предложили новый аналитический метод, названный ионной хроматографией (вариант высокоэффективной ионообменной хроматографии с кондуктометрическим детектированием).

Исключительное значение имело создание сотрудником фирмы "Перкин-Эльмер" М. Голеем (США) капиллярного варианта хроматографии (1956), при котором сорбент наносится на внутренние стенки капиллярной трубки, что позволяет анализировать микроколичества многокомпонентных смесей.

В конце 60-х гг. резко возрос интерес к жидкостной хроматографии. Появилась высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ). Этому способствовало создание высокочувствительных детекторов, новых селективных полимерных сорбентов, новой аппаратуры, позволяющей работать при высоких давлениях. В настоящее время ВЭЖХ занимает ведущие позиции среди других методов хроматографии и реализована в различных вариантах.



2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Хроматография - это метод разделения и определения веществ, основанный на распределении компонентов между двумя фазами - подвижной и неподвижной. Неподвижной (стационарной) фазой служит твердое пористое вещество (часто его называют сорбентом) или пленка жидкости, нанесенная на твердое вещество. Подвижная фаза представляет собой жидкость или газ, протекающий через неподвижную фазу, иногда под давлением. Компоненты анализируемой смеси (сорбаты) вместе с подвижной фазой передвигаются вдоль стационарной фазы. Ее обычно помещают в стеклянную или металлическую трубку, называемую колонкой. В зависимости от силы взаимодействия с поверхностью сорбента (за счет адсорбции или по какому-либо другому механизму) компоненты будут перемещаться вдоль колонки с разной скоростью. Одни компоненты останутся в верхнем слое сорбента, другие, в меньшей степени взаимодействующие с сорбентом, окажутся в нижней части колонки, а некоторые и вовсе покинут колонку вместе с подвижной фазой (такие компоненты называются неудерживаемыми, а время их удерживания определяет “мертвое время” колонки). Таким образом происходит быстрое разделение сложных смесей компонентов. Следует подчеркнуть следующие достоинcтва хроматографических методов:

1. Разделение носит динамический характер, причем акты сорбции- десорбции разделяемых компонентов повторяются многократно. Этим обусловлена значительно большая эффективность хроматографического разделения по сравнению со статическими методами сорбции и экстракции.

2. При разделении используют различные типы взаимодействия сорбатов и неподвижной фазы: от чисто физических до хемосорбционных. Это обуславливает возможность селективного разделения широкого круга веществ.

3. На разделяемые вещества можно накладывать различные дополнительные поля (гравитационное, электрическое, магнитное и др.), которые, изменяя условия разделения, расширяют возможности хроматографии.

4. Хроматография - гибридный метод, сочетающий одновременное разделение и определения нескольких компонентов.

5. Хроматография позволяет решать как аналитические задачи (разделение, идентификация, определение), так и препаративные (очистка, выделение, концентрирование). Решение этих задач можно сочетать, выполняя их в режиме “on line”.

6. Многочисленные методы классифицируются по агрегатному состоянию фаз, механизму разделения и технике проведения разделения. Хроматографические методы различаются и по способу проведения процесса разделения на фронтальный, вытеснительный и элюентный.



3. КЛАССИФИКАЦИЯ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИХ МЕТОДОВ АНАЛИЗА

В основу классификаций хроматографических методов положены принципы, учитывающие следующие различные особенности процесса разделения:

* различия в агрегатном состоянии фаз используемой хроматографической системы;

* различия в характере взаимодействий разделяемых веществ с неподвижной фазой;

* экспериментальные различия в способах проведения процесса хроматографического разделения.

В таблицах 1?3 приведены основные варианты классификации известных хроматографических методов.



Поскольку характер взаимодействий разделяемых соединений с фазами различных хроматографических систем может сильно различаться, то почти не существует объектов, для разделения которых не удалось бы найти подходящей неподвижной фазы (твердой или жидкой) и систем подвижных растворителей. Области применения основных вариантов хроматографии в зависимости от молекулярной массы исследуемых соединений приведены в табл. 4.



4. АДСОРБЦИОННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ. ТОНКОСЛОЙНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

Одним из наиболее распространенных методов адсорбционной хроматографии является тонкослойная хроматография (ТСХ) - разновидность плоскостной хроматографии, при которой адсорбент используют в виде тонкого слоя на пластинке.

Принцип и основные понятия метода ТСХ. На чистую плоскую поверхность (пластинку из стекла, металла, пластмассы) тем или иным способом наносят тонкий слой сорбента, который чаще всего закрепляется на поверхности пластинки. Размеры пластинки могут быть различными (длина и ширина - от 5 до 50 см, хотя это и не обязательно). На поверхности пластинки осторожно, чтобы не повредить слой сорбента, намечают (например, карандашом) линию старта (на расстоянии 2-3 см от нижнего края пластинки) и линию финиша растворителя.

Схема разделения компонентов А и В методом ТСХ

На линию старта пластинки наносят (микрошприцом, капилляром) пробу - небольшое количество жидкости, содержащей смесь разделяемых веществ, например двух веществ А и В в подходящем растворителе. Дают возможность испариться растворителю, после чего пластинку погружают в хроматографической камере в жидкую фазу ПФ, представляющую собой специально подобранный для данного случая растворитель или смесь растворителей. Под действием капиллярных сил ПФ самопроизвольно перемещается вдоль НФ от стартовой линии до линии фронта растворителя, увлекая с собой компоненты А и В пробы, которые перемещаются с различной скоростью. В рассматриваемом случае сродство компонента А к НФ меньше сродства к той же фазе компонента В, поэтому компонент А перемещается быстрее компонента В. После достижения за время t подвижной фазой (растворителем) линии фронта растворителя хроматографирование прерывают, пластинку извлекают из хроматографической камеры, высушивают на воздухе и определяют положение пятен веществ А и В на поверхности пластинки. Пятна (зоны) обычно имеют овальную или круглую форму. В рассматриваемом случае пятно компонента A переместилось от линии старта на расстояние l_A , пятно компонента В - на расстояние l_В , а растворитель прошёл через расстояние L.

Иногда одновременно с нанесением пробы разделяемых веществ на линию старта наносят небольшие количества вещества-стандарта, а также веществ-свидетелей (тех, которые предположительно содержатся в анализируемой пробе).

Для характеристики разделяемых компонентов в системе вводят коэффициент подвижности Rf (или Rf-фактор):

R_f =V₁/V_E = (l₁/t)/ (L/t) =l₁/L ,

где V₁=l₁/t и V_E= L/t - соответственно скорости перемещения i-го компонента и растворителя Е; l₁ и L - путь, пройденный i-м компонентом и растворителем соответственно, t -- время, необходимое для перемещения растворителя от линии старта до линии фронта растворителя. Расстояния l₁ отсчитывают от линии старта до центра пятна соответствующего компонента.

Обычно коэффициент подвижности лежит в переделах R_f =0 - 1. Оптимальное значение составляет 0,3-0,7, Условия хроматографирования подбирают так, чтобы величина R_f отличалась от нуля и единицы.

Коэффициент подвижности является важной характеристикой системы сорбент-сорбат. Для воспроизводимых и строго постоянных условий хроматографирования R_f =const.

Коэффициент подвижности Rf зависит от целого ряда факторов: природы и качества растворителя, его чистоты; природы и качества сорбента (тонкого слоя), равномерности его зернения, толщины слоя; активности сорбента (содержания в нём влаги) ; техники эксперимента (массы образцы, длины L пробега растворителя); навыка экспериментатора и т.д. Постоянство воспроизведения всех этих параметров на практике иногда бывает затруднительным. Для нивелирования влияния условий проведения процесса вводят относительный коэффициент подвижности Rs.

Rs= l/l_ст=R_f /R_f(ст),

где R_f =l/L; R_{f (ст)}=l_ст /L; l_cm - расстояние от линии старта до центра пятна стандарта.

Относительный коэффициент подвижности Rs является более объективной характеристикой подвижности вещества, чем коэффициент подвижности R_f.

В качестве стандарта часто выбирают такое вещество, для которого в данных условиях R_f ? 0,5. По химической природе стандарт выбирается близким к разделяемым веществам. С применением стандарта величина Rs обычно лежит в пределах Rs=0.1--10 , оптимальные пределы - около 0,5--2.

Для более надежной идентификации разделяемых компонентов используют «свидетели» - эталонные вещества, наличие которых предполагается в анализируемой пробе. Если R_f = R_f(свид) , где R_f и R_f (свид) -- соответственно коэффициенты подвижности данного компонента и свидетеля, то можно с большей вероятностью предположить, что вещество-свидетель присутствует в хроматографируемой смеси.

Для характеристики разделения двух компонентов А и В в данных условиях вводят степень (критерий) разделения R(А/В):

R (А/B) = Дl([a(A)/2+a (B)/2] =2Дl[a(A)+a(B)] ,

где Дl - расстояние между центрами пятен компонентов А и В; a(A) и a(B) - соответственно диаметры пятен А и В на хроматограмме.

Чем больше величина R (А/B) , тем четче разделяются пятна компонентов А и В на хроматограмме.

Для оценки селективности разделения двух веществ А и В используют коэффициент разделения а:

а= l_B / l_A.

Если а=1, то компоненты А и В не разделяются.

К определению степени разделения R (A/B) компонентов А и В.

4.1 Техника эксперимента в тонкослойной хроматографии:

а) Нанесение пробы. Анализируемую жидкую пробу наносят на линию старта с помощью капилляра, микрошприца, микропипетки, осторожно касаясь слоя сорбента (диаметр пятна на линии старта - обычно от одного до нескольких миллиметров). Если на линию старта наносят несколько проб, то расстояние между пятнами образцов на линии старта не должно быть меньше 2 см. По возможности используют концентрированные растворы. Пятна сушат на воздухе, после чего проводят хроматографирование.

б) Развитие хроматограммы (хроматографирование).Процесс проводят в закрытых хроматографических камерах, насыщенных парами растворителя, используемого в качестве ПФ, например, в стеклянном сосуде, покрытом сверху крышкой.

В зависимости от направления движения ПФ различают восходящую, нисходящую и горизонтальную хроматографию.

В варианте восходящей хроматографии используют только пластинки с закрепленным слоем сорбента. ПФ наливают на дно камеры (в качестве последней можно использовать стеклянный химический стакан подходящего размера со стеклянной крышкой), хроматографическую пластинку помещают вертикально или наклонно в камеру так, чтобы слой ПФ на дне камеры смачивал нижнюю часть пластинки (ниже линии старта на ~1,5- 2 см). ПФ перемещается за счет действия капиллярных сил снизу вверх (против силы тяжести) сравнительно медленно.

В варианте нисходящей хроматографии также применяют только пластинки с закрепленным слоем. ПФ подается сверху и перемещается вниз вдоль слоя сорбента пластинки. Сила тяжести ускоряет движение ПФ. Такой вариант реализуют при анализе смесей, содержащих компоненты, медленно перемещающиеся с ПФ.

В варианте горизонтальной хроматографии пластинку помещают горизонтально. Можно использовать прямоугольные или круглые пластинки. При применении круглых пластинок (круговой вариант горизонтальной хроматографии) стартовую линию обозначают в виде окружности подходящего радиуса (~1,5-2 см), на которую наносят пробы. В центре круглой пластинки вырезают отверстие, в которое вставляют фитиль для подачи ПФ. Последняя перемещается вдоль слоя сорбента от центра круга к его периферии. Хроматографирование проводят в закрытой камере - эксикаторе или в чашке Петри. При круговом варианте можно одновременно анализировать до нескольких десятков проб.

В методах ТСХ используют одномерную, двумерную, многократную (повторную), ступенчатую хроматографию.

При однократной хроматографии анализ проводят, не изменяя направления движения ПФ. Этот способ наиболее распространен.

Двумерную хроматографию обычно применяют для анализа сложных смесей (белки, аминокислоты и т.д.) Вначале проводят предварительное разделение смеси, используя первую ПФ₁ . На хроматограмме получают пятна не индивидуальных веществ, а смесей нескольких неразделившихся компонентов. Затем через эти пятна проводят новую линию старта, пластинку разворачивают на 90° и снова хроматографируют, но уже со второй ПФ₂ , стремясь окончательно разделить пятна смесей на пятна отдельных компонентов.

Если пластинка квадратная, то пробу наносят на диагональ этого квадрата вблизи нижнего его угла. Иногда двумерную хроматографию осуществляют с одной и той же ПФ на квадратной пластинке.

Схема, иллюстрирующая принцип двухмерной хроматографии:

а - хроматограмма, полученная с ПФ1;

б - хроматограмма, полученная с ПФ2

В многократной (повторной) хроматографии процесс проводят несколько раз последовательно с одной и той же ПФ (каждый раз - после очередного высушивания) до тех пор, пока не получат желаемое разделение пятен компонентов смеси (обычно - не более трёх раз).

В случае ступенчатой хроматографии процесс проводят с одной и той же пластинкой последовательно, используя каждый раз новую ПФ, до достижения отчетливого разделения пятен.

в) Расшифровка хроматограмм. Если пятна на хроматограмме окрашены, после высушивания пластинок определяют расстояние от линии старта до центра каждого пятна и вычисляют коэффициенты подвижности. Если же в состав анализируемой пробы входят бесцветные вещества, дающие неокрашенные, т.е. визуально не идентифицируемые пятна на хроматограмме, необходимо провести детектирование этих пятен, для чего хроматограммы проявляют.

Ниже описаны наиболее распространенные методы детектирования.

Облучение ультрафиолетовым светом. Используется для обнаружения флуоресцирующих соединений (пятна светятся при облучении пластинки УФ-светом) или нефлуоресцирующих веществ, но с применением сорбента с флуоресцирующим индикатором (сорбент светится, пятна не светятся). Таким образом детектируют, например, алкалоиды, антибиотики, витамины и другие лекарственные вещества.

Термическая обработка. Высушенную после хроматографирования пластинку осторожно нагревают (до ~200 °C), избегая потемнения слоя самого сорбента (например, тогда, когда тонкий слой сорбента содержит крахмал). При этом пятна проявляются обычно в виде коричневых зон (за счет частичного термолиза органических компонентов).

Химическая обработка. Часто хроматограммы проявляют, обрабатывая их реагентами, которые образуют окрашенные соединения с разделяемыми компонентами смесей. Для этих целей применяют различные реагенты: пары йода, аммиака, брома, диоксида серы, сероводород, специально приготовленные растворы, которыми обрабатывают пластинки. Применяют как универсальные, так и селективные реагенты (понятие «универсальные» достаточно условно).

Универсальными реагентами могут служить, например, концентрированная серная кислота (при нагревании наблюдается потемнение пятен органических соединений), кислый водный раствор перманганата калия (зоны наблюдаются в виде коричневых пятен на фиолетовом фоне сорбента), раствор фосфорно-молибденовой кислоты при нагревании (появляются синие пятна на желтом фоне) и т.д.

В качестве селективных применяют, например, реактив Драгендорфа; реактив Циммермана; водный аммиачный раствор сульфата меди (10% по CuSO₄ , 2% по аммиаку); смесь нингидрина C₉H₄O₃•H₂O с этанолом и уксусной кислотой.

Реактив Драгендорфа представляет собой раствор основного нитрата висмута BiONO₃, йодида калия KJ и уксусной кислоты в воде. Используется для определения аминов, алкалоидов, стероидов.

Реактив Циммермана готовят, обрабатывая раствором щелочи KOH 2%-й этанольный раствор динитробензола с последующим нагреванием смеси при ~70-100 °C. Применяют для обнаружения стероидов.

С помощью нингидрина детектируют пятна аминов, аминокислот, белков и других соединений.

Применяют и некоторые другие способы детектирования пятен. Например, измеряют их радиоактивность, если некоторые из разделяемых компонентов радиоактивны, либо вводят специально добавки радиоактивных изотопов элементов, входящих в состав разделяемых составляющих смеси.

После детектирования пятен на хроматограмме проводят их идентификацию, т.е. определяют, какому соединению соответствует то или иное пятно. Для этого чаще всего используют эталонные пятна «свидетелей». Иногда пятна идентифицируют по величине коэффициентов подвижности R_f , сравнивая их с известными для данных условий величинами R_f . Однако такая идентификация по величине R_f часто носит предварительный характер.

Окраску флуоресцирующих пятен также используют в целях идентификации, поскольку различные соединения флуоресцируют излучением различной длины волны (разного цвета).

При химическом детектировании пятен селективные реагенты дают окрашенные пятна с соединениями определенной природы, что также используется в целях идентификации.

С помощью метода ТСХ можно не только открывать, но и количественно определять содержание компонентов в смесях. Для этого либо анализируют сами пятна на хроматограмме, либо извлекают разделенные компоненты из хроматограммы тем или иным способом (экстракцией, элюированием подходящими растворителями).

При анализе пятен предполагают существование определенной связи между площадью пятна и содержанием данного вещества (например, наличие пропорциональной или линейной зависимости), которую устанавливают методом построения градуировочного графика, измеряя площади пятен «свидетелей» - эталонов с известным содержанием анализируемого компонента.

Иногда сравнивают интенсивность окраски пятен, полагая, что интенсивность окраски пятна пропорциональна количеству данного окрашенного компонента. Для измерения интенсивности окраски применяют различные приемы.

При извлечении разделенных компонентов из хроматограммы получают раствор, содержащий данный компонент. Последний затем определяют тем или иным аналитическим методом.

Относительная ошибка количественного определения вещества методом ТСХ составляет 5-10%.

ТСХ - фармакопейный метод и широко применяется для анализа и контроля качества разнообразных лекарственных средств.



5. ГАЗОВАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

В газовой хроматографии (ГХ) в качестве подвижной фазы используют инертный газ (азот, гелий, водород), называемый газом носителем. Пробу подают в виде паров, неподвижной фазой служит или твердое вещество - сорбент (газо-адсорбционная хроматография) или высококипящая жидкость, нанесенная тонким слоем на твердый носитель (газожидкостная хроматография). Рассмотрим вариант газожидкостной хроматографии (ГЖХ). В качестве носителя используют кизельгур (диатомит) - разновидность гидратированного силикагеля, часто его обрабатывают реагентами, которые переводят группы Si-OH в группы Si-О-Si(CH₃)₃, что повышает инертность носителя по отношению к растворителям. Таковыми являются, например, носители “хромосорб W” и “газохромQ”. Кроме того, используют стеклянные микрошарики, тефлон и другие материалы.

5.1 Газо-адсорбционная хроматография

Особенность метода газоадсорбционной хроматографии (ГАХ) в том, что в качестве неподвижной фазы применяют адсорбенты с высокой удельной поверхностью (10--1000 м²г^-1), и распределение веществ между неподвижной и подвижной фазами определяется процессом адсорбции. Адсорбция молекул из газовой фазы, т.е. концентрированной на поверхности раздела твердой и газообразной фаз, происходит за счет межмолекулярных взаимодействий (дисперсионных, ориентационных, индукционных), имеющих электростатическую природу. Возможно, образование водородной связи, причем вклад этого вида взаимодействия в удерживаемые объемы значительно уменьшается с ростом температуры.

Для аналитической практики важно, чтобы при постоянной температуре количество адсорбированного вещества на поверхности С_s было пропорционально концентрации этого вещества в газовой фазе С_m:

C_s = кc_{m (1)}

т.е. чтобы распределение происходило в соответствии с линейной изотермой адсорбции (к -- константа). В этом случае каждый компонент перемещается вдоль колонки с постоянной скоростью, не зависящей от его концентрации. Разделение веществ обусловлено различной скоростью их перемещения. Поэтому в ГАХ чрезвычайно важен выбор адсорбента, площадь и природа поверхности которого обусловливают селективность (разделение) при заданной температуре.

С повышением температуры уменьшаются теплота адсорбции DH/T, от которой зависит удерживание, и соответственно t_R . Это используют в практике анализа. Если разделяют соединения, сильно различающиеся по летучести при постоянной температуре, то низкокипящие вещества элюируются быстро, высококипящие имеют большее время удерживания, их пики на хроматограмме будут ниже и шире, анализ занимает много времени. Если же в процессе хроматографирования повышать температуру колонки с постоянной скоростью (программирование температуры), то близкие по ширине пики на хроматограмме будут располагаться равномерно.

В качестве адсорбентов для ГАХ в основном используют активные угли, силикагели, пористое стекло, оксид алюминия. Неоднородностью поверхности активных адсорбентов обусловлены основные недостатки метода ГАХ и невозможность определения сильно адсорбирующихся полярных молекул. Однако на геометрически и химически однородных макропористых адсорбентах можно проводить анализ смесей сильнополярных веществ. В последние годы выпускают адсорбенты с более или менее однородной поверхностью, такие, как пористые полимеры, макропористые силикагели (силохром, порасил, сферосил), пористые стекла, цеолиты.

Наиболее широко метод газоадсорбционной хроматографии применяют для анализа смесей газов и низкокипящих углеводородов, не содержащих активных функциональных групп. Изотермы адсорбции таких молекул близки к линейным. Например, для разделения О₂, N₂, CO, CH₄, СО₂ с успехом применяют глинистые. Температура колонки программируется для сокращения времени анализа за счет уменьшения t_R высококипящих газов. На молекулярных ситах -- высокопористых природных или синтетических кристаллических материалах, все поры которых имеют примерно одинаковые размеры (0,4--1,5 нм), -- можно разделить изотопы водорода. Сорбенты, называемые порапаками, используют для разделения гидридов металлов (Ge, As, Sn, Sb). Метод ГАХ на колонках с пористыми полимерными сорбентами или углеродными молекулярными ситами самый быстрый и удобный способ определения воды в неорганических и органических материалах, например в растворителях.

5.2 Газо-жидкостная хроматография

В аналитической практике чаще используют метод газожидкостной хроматографии (ГЖХ). Это связано с чрезвычайным разнообразием жидких неподвижных фаз, что облегчает выбор селективной для данного анализа фазы, с линейностью изотермы распределения в более широкой области концентраций, что позволяет работать с большими пробами, и с легкостью получения воспроизводимых по эффективности колонок.

Механизм распределения компонентов между носителем и неподвижной жидкой фазой основан на растворении их в жидкой фазе. Селективность зависит от двух факторов: упругости пара определяемого вещества и его коэффициента активности в жидкой фазе. По закону Рауля, при растворении упругость пара вещества над раствором p_i прямо пропорциональна его коэффициенту активности g молярной доле N_i в растворе и давлению паров чистого вещества Р°_i при данной температуре:

p_i = N_i Р°_I (2)

Поскольку концентрация i-го компонента в равновесной паровой фазе определяется его парциальным давлением, можно принять что,

P_i ~ c_m , а N_i ~ c_s тогда

,

а коэффициент селективности:

Таким образом, чем ниже температура кипения вещества (чем больше P⁰_i), тем слабее удерживается оно в хроматографической колонке.

Если же температуры кипения веществ одинаковы, то для их разделения используют различия во взаимодействии с неподвижной жидкой фазой: чем сильнее взаимодействие, тем меньше коэффициент активности и больше удерживание.

Неподвижные жидкие фазы. Для обеспечения селективности колонки важно правильно выбрать неподвижную жидкую фазу. Эта фаза должна быть хорошим растворителем для компонентов смеси (если растворимость мала, компоненты выходят из колонки очень быстро), нелетучей (чтобы не испарялась при рабочей температуре колонки), химически инертной, должна обладать небольшой вязкостью (иначе замедляется процесс диффузии) и при нанесении на носитель образовывать равномерную пленку, прочно с ним связанную. Разделительная способность неподвижной фазы для компонентов данной пробы должна быть максимальной.

Различают жидкие фазы трех типов: неполярные (насыщенные углеводороды и др.), умеренно полярные (сложные эфиры, нитрилы и др.) и полярные (полигликоли, гидроксиламииы и др.).

Зная свойства неподвижной жидкой фазы и природу разделяемых веществ, например класс, строение, можно достаточно быстро подобрать подходящую для разделения данной смеси селективную жидкую фазу. При этом следует учитывать, что время удерживания компонентов будет приемлемым для анализа, если полярности стационарной фазы и вещества анализируемой пробы близки. Для растворенных веществ с близкой полярностью порядок элюирования обычно коррелирует с температурами кипения, и если разница температур достаточно велика, возможно полное разделение. Для разделения близко - кипящих веществ разной полярности используют стационарную фазу, селективно - удерживающую один или несколько компонентов вследствие диполь - дипольного взаимодействия. С увеличением полярности жидкой фазы время удерживания полярных соединений возрастает.

Для равномерного нанесения жидкой фазы на твердый носитель ее смешивают с легколетучим растворителем, например эфиром. К этому раствору добавляют твердый носитель. Смесь нагревают, растворитель испаряется, жидкая фаза остается на носителе. Сухим носителем с нанесенной таким образом неподвижной жидкой фазой заполняют колонку, стараясь избежать образования пустот. Для равномерной упаковки через колонку пропускают струю газа и одновременно постукивают по колонке для уплотнения набивки. Затем до присоединения к детектору колонку нагревают до температуры на 50° С выше той, при которой ее предполагается использовать. При этом могут быть потери жидкой фазы, но колонка входит в стабильный рабочий режим.

Носители неподвижных жидких фаз. Твердые носители для диспергирования неподвижной жидкой фазы в виде однородной тонкой пленки должны быть механически прочными с умеренной удельной поверхностью (20м²/г), небольшим и одинаковым размером частиц, а также быть достаточно инертными, чтобы адсорбция на поверхности раздела твердой и газообразной фаз была минимальной. Самая низкая адсорбция наблюдается на носителях из силанизированного хромосорба, стеклянных гранул и флуоропака (фторуглеродный полимер). Кроме того, твердые носители не должны реагировать на повышение температуры и должны легко смачиваться жидкой фазой. В газовой хроматографии хелатов в качестве твердого носителя чаще всего используют силанизированные белые диатомитовые носители -- диатомитовый кремнезем, или кизельгур. Диатомит -- это микроаморфный, содержащий воду, диоксид кремния. К таким носителям относят хромосорб W, газохром Q, хроматон N и др. Кроме того, используют стеклянные шарики и тефлон.

Химически связанные фазы. Часто используют модифицированные носители, ковалентно - связанные с жидкой фазой. При этом стационарная жидкая фаза более прочно удерживается на поверхности даже при самых высоких температурах колонки. Например, диатомитовый носитель обрабатывают хлорсиланом с длинноцепочечным заместителем, обладающим определенной полярностью. Химически связанная неподвижная фаза более эффективна.



6. РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ. БУМАЖНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ (ХРОМАТОГРАФИЯ НА БУМАГЕ)

Распределительная хроматография основана на использовании различий в растворимости распределяемого вещества в двух контактирующих несмешивающихся жидких фазах. Обе фазы - ПФ и НФ - представляют собой жидкие фазы. При перемещении жидкой ПФ вдоль жидкой же НФ хроматографируемые вещества непрерывно перераспределяются между обеими жидкими фазами.

К распределительной хроматографии относится бумажная хроматография (или хроматография на бумаге) в ее обычных вариантах. В этом методе вместо пластинок с тонким слоем сорбента, употребляемых при ТСХ, применяют специальную хроматографическую бумагу, по которой, пропитывая ее, перемещается жидкая ПФ во время хроматографирования от линии старта до линии финиша растворителя.

Различают нормальнофазовую и обращеннофазовую бумажную хроматографию.

В варианте нормальнофазовой бумажной хроматографии жидкой НФ является вода, сорбированная в виде тонкого слоя на волокнах и находящаяся в порах гидрофильной бумаги (до 25% по массе). Эта связанная вода по своей структуре и физическому состоянию сильно отличается от обычной жидкой воды. В ней и растворяются компоненты разделяемых смесей.

Роль ПФ, перемещающейся по бумаге, играет другая жидкая фаза, например, органическая жидкость с добавлением кислот и воды. Жидкую органическую ПФ перед хроматографированием насыщают водой для того, чтобы ПФ не растворяла в себе воду, сорбированную на волокнах гидрофильной хроматографической бумаги.

Хроматографическая бумага выпускается промышленностью. Она должна отвечать ряду требований: готовиться из высококачественных волокнистых сортов хлопка, быть однородной по плотности и толщине, по направлению ориентирования волокон, химически чистой и инертной по отношению к НФ и разделяемым компонентам.

В нормальнофазовом варианте в качестве ПФ чаще всего применяют жидкие смеси, составленные из различных растворителей. Классическим примером такой ПФ является смесь уксусной кислоты, н-бутанола и воды в объемном отношении 1:4:5. Используют и такие растворители, как этилацетат, хлороформ, бензол и т. д.

В варианте обращеннофазовой бумажной хроматографии жидкая НФ представляет собой органический растворитель, тогда как в роли жидкой ПФ выступает вода, водные или спиртовые растворы, смеси кислот со спиртами. Процесс проводят с использованием гидрофобной хроматографической бумаги. Её получают обработкой (пропиткой) бумаги нафталином, силиконовыми маслами, парафином и т. д. Неполярные и малополярные органические растворители сорбируются на волокнах гидрофобной бумаги и проникают в ее поры, образуя тонкий слой жидкой НФ. Вода не удерживается на такой бумаге не смачивает ее.

Техника бумажной хроматографии в общих чертах такая же, как и в методе ТСХ. Обычно на полоску хроматографической бумаги на линию старта наносят кашпо анализируемого раствора, содержащего смесь разделяемых веществ. После испарения растворителя бумагу ниже линии старта погружают в ПФ, располагая бумагу вертикально (подвешивая ее). Закрывают камеру крышкой и проводят хроматографирование до тех пор, пока ПФ не достигнет обозначенной на бумаге линии фронта растворителя. После этого процесс прерывают, бумагу сушат на воздухе и проводят детектирование пятен и идентификацию компонентов смеси.

Бумажная хроматография подобно методу ТСХ применяется как в качественном, так и в количественном анализе.

Для количественного определения содержания того или иного компонента смеси применяют различные методы:

1) исходят из наличия определенной зависимости ( пропорциональной, линейной) между количеством вещества в пятне и площадью пятна (часто при этом предварительно строят градуировочный график);

2) взвешивают вырезанное пятно с веществом и такую же по площади чистую бумагу, а затем по разности находят массу определяемого вещества;

3) учитывают связь между интенсивностью окраски пятна и содержания в нем определяемого компонента, придающего окраску пятну.

В ряде случаев вещества, содержащиеся в пятнах, экстрагируют каким-либо растворителем и затем анализируют экстракт.

Бумажная хроматография - фармакопейный метод, используется для разделения смесей, содержащих как неорганические, так и органические вещества. Метод доступен, прост по выполнению, однако в целом он уступает более современному методу ТСХ, в котором применяется тонкий слой сорбента.



7. ОСАДОЧНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

Метод осадочной хроматографии применяется преимущественно для разделения и идентификации неорганических ионов, входящих в состав смесей.

Сущность метода. Осадочная хроматография основана на использовании химических реакций осаждения разделяемых компонентов смеси с реагентом-осадителем, входящим в состав НФ. Разделения осуществляется вследствие неодинаковой растворимости образующихся соединений, которые переносятся подвижной фазой с различной скоростью: менее растворимые вещества переносятся с ПФ медленнее, чем более растворимые.

Можно проиллюстрировать применение метода на примере разделения галогенид-ионов: хлорид-ионов Cl^- , бромид-ионов Br^- и иодид-ионов I^- , одновременно содержащихся в анализируемом водном растворе. Для этого используют хроматографическую колонку (представляющую собой стеклянную трубку с краном в нижней части), заполненную сорбентом. Последний состоит их носителя - оксида алюминия Al₂O₃ или кремния SiO₂, пропитанного раствором нитрата серебра AgNO₃ (содержание нитрата серебра составляет около 10% по массе от массы сорбента-носителя).

Через хроматографическую колонку пропускают водный раствор, содержащий смесь разделяемых анионов. Эти анионы взаимодействуют с катионами серебра Ag⁺ , образуя малорастворимые осадки галогенидов серебра:

Ag⁺ + I^- > AgIv (жёлтый)

Ag⁺ + Br^- > AgBrv (кремовый)

Ag⁺ + Cl^- > AgClv (белый)

Растворимость галогенидов серебра в воде увеличивается в последовательности:

Agl (К° = 8,3*10^-17)< АgВг (К° = 5,3*10^-13) < AgCl (K°= 1,78*10^-10),

где в скобках приведены значения произведений растворимости при комнатной температуре. Поэтому вначале будет образовываться жёлтый осадок иодида серебра, как наименее растворимого на хроматограмме будет наблюдаться жёлтая (верхняя) зона. Затем образуется зона осадка бромида серебра кремового цвета (промежуточная зона). В последнюю очередь образуется белый осадок хлорида серебра - нижняя белая зона, темнеющая на свету вследствие фотохимического разложения хлорида серебра с выделением мелкодисперсного металлического серебра.

В результате получают первичную осадочную хроматограмму.

Для более чёткого разделения зон после получения первичной хроматограммы через колонку пропускают чистый растворитель до получения вторичной осадочной хроматограммы с четким разделением зон осадков.

В описанном примере осадитель входил в состав НФ, а через колонку пропускался раствор, содержащий смесь разделяемых ионов. Можно, наоборот, пропускать раствор осадителя через колонку, в НФ которой находятся хроматографируемые ионы. При этом, однако, образуются смешанные зоны.



Схема разделения ионов Cl- , Br- и I- в хроматографической колонке методом осадочной хроматографии.

7.1 Классификация способов осадочной хроматографии по технике эксперимента

Обычно различаю колоночную осадочную хроматографию, проводимую в хроматографических колонках, и плоскостную осадочную хроматографию, реализуемую на бумаге или в тонком слое сорбента.

В качестве сорбентов в осадочной хроматографии применяют смеси инертных носителей с осадителем; сорбенты, удерживающие осадители в виде ионов (ионообменные смолы) или в виде молекул (активированный уголь); бумагу, пропитанную раствором осадителя.

Носителями чаще всего выбирают силикагель, крахмал, оксиды алюминия, кальция, сульфат бария, ионообменные смолы и т.д. Носитель используется в тонкодисперсном состоянии с размерами частиц около 0,02-0,10 мм.

В качестве осадителей применяют такие реагенты, которые образуют малорастворимые осадки с хроматографируемыми ионами, например, иодид натрия NaI, сульфид натрия Na₂S, сульфат серебра Ag₂SO₄, ферроцианид калия K₄[Fe(CN)₆] , оксихинолин, пиридин и т.д.

Обычно при использовании метода колоночной осадочной хроматографии после пропускания через колонку чистого растворителя получают четко разделенные зоны, каждая из которых содержит только один компонент (в том случае, когда растворимости осадков различаются не менее, чем в три раза). Метод отличается хорошей воспроизводимостью результатов.

В случае образования бесцветных зон осадков хроматограмму проявляют, либо пропуская через колонку раствор-проявитель, дающий с осадками окрашенные продукты реакции, либо сразу вводя проявитель в ПФ или в НФ.

7.2 Осадочная хроматография на бумаге

Рассмотрим сущность этого метода на примере анализа водного раствора, содержащего смесь катионов меди Cu²⁺? железа Fe³⁺ и алюминия Al³⁺.

В центр листа бумаги, пропитанной раствором осадителя - ферроцианида калия K₄[Fe(CN)₆] , капилляром наносится анализируемый водный раствор. Ионы меди Cu²⁺ и железа Fe²⁺ взаимодействуют с ферроцианид-ионами с образованием малорастворимых осадков:

2Cu²⁺ + [Fe(CN)₆]^4- > Cu₂[Fe(CN)₆] (коричневый)

4Fe³⁺ + 3[Fe(CN)₆] ^4- >Fe4[Fe(CN)₆] (синий)

Поскольку ферроцианид меди (II) менее растворим, чем ферроцианид железа (III), то вначале выделяется осадок ферроцианида меди (II), образующий центральную коричневую зону. Затем образуется синий осадок ферроцианида железа (III), дающий синюю зону. Ионы алюминия перемещаются на периферию, давая бесцветную зону, поскольку они не образуют окрашенного ферроцианида алюминия.



Схема разделения Cu2+, Fe3+ и Al3+ методом осадочной хроматографии.

Таким путём получают первичную хроматограмму, на которой зоны осадков частично перекрываются.

Затем получают вторичную хроматограмму. Для этого подходящий растворитель ( в рассматриваемом случае - водный раствор аммиака) наносят капилляром в центр первичной хроматограммы. Растворитель самопроизвольно перемещается от центра бумаги к периферии, увлекая с собой и осадки, которые перемещаются с различной скоростью: зона более растворимого осадка ферроцианида железа перемещается быстрее зоны менее растворимого осадка ферроцианида меди. На этом этапе за счет различия в скоростях перемещения зон происходит их более чёткое разделение.

Для открытия ионов алюминия, образующих бесцветную периферическую зону, вторичную хроматограмму проявляют - опрыскивают (из пульверизатора) раствором ализарина - органического реагента, образующего с ионами алюминия продукты реакции розового цвета. Получают внешнее розовое кольцо.



8. ИОНООБМЕННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

В ионообменной хроматографии разделение компонентов смеси достигается за счет обратимого взаимодействия ионизирующихся веществ с ионными группами сорбента. Сохранение электронейтральности сорбента обеспечивается наличием способных к ионному обмену противоионов, расположенных в непосредственной близости к поверхности. Ион введенного образца, взаимодействуя с фиксированным зарядом сорбента, обменивается с противоионом. Вещества, имеющие разное сродство к фиксированным зарядом, разделяются на анионитах или на катионитах. Аниониты имеют на поверхности положительно заряженные группы и сорбируют из подвижной фазы анионы. Катиониты соответственно содержат группы с отрицательным зарядом, взаимодействующие с катионами.

В качестве подвижной фазы используют водные растворы солей кислот, оснований и растворители типа жидкого аммиака, т.е. системы растворителей, имеющих высокое значение диэлектрической проницаемости и большую тенденцию ионизировать соединения. Обычно работают с буферными растворами, дозволяющими регулировать значение рН.

При хроматографическом разделении ионы анализируемого вещества конкурируют с ионами, содержащимися в элюенте, стремясь вступать во взаимодействие с противоположно заряженными группами сорбента. Отсюда следует, что ионообменную хроматографию можно применять для разделения любых соединений, которые могут быть каким-либо образом ионизированы. Можно провести анализ даже нейтральных молекул сахаров в виде их комплексов с борат-ионом.

Ионообменная хроматография незаменима при разделении вы-сокополярных веществ, которые без перевода в производные не могут быть проанализированы методом ГЖХ. К таким соединениям относятся аминокислоты, пептиды, сахара.

Ионообменную хроматографию широко применяют в медицине, биологии, биохимии, для контроля окружающей среды, при анализе содержания лекарств и их метаболитов в крови и моче, ядохимикатов в пищевом сырье, а также для разделения неорганических соединений, в том числе радиоизотопов, лантаноидов, актиноидов и др. Анализ биополимеров (белков, нуклеиновых кислот и др.), на который обычно затрачивали часы или дни, с помощью ионообменной хроматографии проводят за 20-40 мин с лучшим разделением. Применение ионообменной хроматографии в биологии позволило наблюдать за образцами непосредственно в биосредах, уменьшая возможность перегруппировки или изомеризации, что может привести к неправильной интерпретации конечного результата. Интересно использование данного метода для контроля изменений, происходящих с биологическими жидкостями. Применение пористых слабых анионообмеников на силикагелевой основе позволило разделить пептиды. Механизм ионного обмена можно представить в виде следующих уравнений:

для анионного обмена X^- + R⁺Y^- - Y^- + R⁺X^-

для катионного обмена X⁺ + R^-Y⁺ - Y⁺ + R^-X⁺

В первом случае ион образца X - конкурирует с ионом подвижной фазы Y - за ионные центры R⁺ионообменника, а во втором в конкуренцию с ионами подвижной фазы Y⁺ за ионные центры R -вступают катионы образца Х⁺.

Естественно, что ионы образца, слабо взаимодействующие с ионообменником, при этой конкуренции будут слабо удерживаться на колонке и первыми вымываются с нее и, наоборот, более сильно удерживаемые ионы будут элюировать из колонки последними. Обычно возникают вторичные взаимодействия неионной природы за счет адсорбции или водородных связей образца с неионной частью матрицы или за счет ограниченной растворимости образца в подвижной фазе.

Разделение конкретных веществ зависит в первую очередь от выбора наиболее подходящего сорбента и подвижной фазы. В качестве неподвижных фаз в ионообменной хроматографии применяют ионообменные смолы и силикагели с привитыми ионогенными группами.

Полистирольные ионообменные смолы для ВЭЖХ зернением 10 мкм и менее обладают селективностью и стабильностью, но сетчатая структура их, характеризующаяся расстоянием между узлами сетки 1,5 нм, что значительно меньше размера пор применяемого для адсорбционной хроматографии силикагеля (10 нм), замедляет массообмен и, следовательно, значительно снижает эффективность. Применяемые в ВЭЖХ ионообменные смолы представляют собой в основном сополимеры стирола и дивинилбензола. Обычно добавляют 8-12% последнего. Чем больше содержание ди-винилбензола, тем больше жесткость и прочность полимера, выше емкость и, как правило, селективность и тем меньше набухаемость.