_{Лекция 7. Хроматографические
методы анализа}

_{План
лекции:}

_1._{Общая характеристика хроматографических методов
анализа}

_2._{Классификация
хроматографических методов анализа}

_3._{Аналитические
возможности хроматографических методов}

_4._{Методы
газовой хроматографии}

_5._{Плоскостная
хроматография}

_{1. Общая
характеристика}

_{Хроматография}_{– это
динамический метод разделения и определения веществ, основанный на многократном
распределении компонентов между двумя фазами – подвижной и неподвижной.}

_{Подвижной фазой}_{может служить жидкость или газ, протекающие под давлением
через слой неподвижной фазы.}

_{Неподвижная
фаза}_{(сорбент)}_{представляет собой твёрдое пористое вещество с развитой
поверхностью или плёнку жидкости, нанесённую на поверхность твёрдого инертного
носителя.}

_{При хроматографировании вещество поступает в слой сорбента
вместе с потоком подвижной фазы. При этом вещество сорбируется, а затем при
контакте со свежими порциями подвижной фазы – десорбируется.
Перемещение подвижной фазы происходит непрерывно, поэтому непрерывно происходит
сорбция и десорбция вещества. При этом часть вещества находится в неподвижной
фазе в сорбированном состоянии, а часть – в подвижной фазе и перемещается
вместе с ней. В результате скорость движения вещества оказывается меньше, чем
скорость движения подвижной фазы. Чем сильнее сорбируется вещество, тем
медленнее оно перемещается. Если хроматографируется
смесь веществ, то скорость перемещения каждого из них различна из-за разного
сродства к сорбенту, в}

_{результате}_{чего вещества
разделяются: одни компоненты задерживаются в начале пути, другие продвинутся
дальше.}

_{2.
Классификация хроматографических методов анализа}

_{Хроматографические}_{методы анализа
настолько разнообразны, что единой классификации их не существует. Чаще всего
используют несколько классификаций, в основу которых положены следующие
признаки:}

_{а)
Агрегатное состояние подвижной и неподвижной фаз:}

_{--газовую хроматографию (подвижная
фаза – газ или пар);}

_{--и жидкостную хроматографию
(подвижная фаза – жидкость).}

_{б) Механизм
взаимодействия вещества с сорбентом:}

_{--адсорбционная;}

_{--распределительная;}

_{--ионообменная;}

_{--осадочная;}

_{--окислительно-восстановительная;}

_{--комплексообразовательная.}

_{в) Техника
выполнения анализа (способ оформления процесса):}

_{--колоночную (процесс разделения
ведут в колонках, заполненных сорбентом);}

_{--плоскостную хроматографию - включает в себя две
разновидности: хроматографию на бумаге и тонкослойную хроматографию на
пластинках.}

_{г) Цель хроматографирования:}

_{--аналитическую хроматографию –
самостоятельный метод разделения, качественного и количественного анализа
веществ;}

_{--препаративную хроматографию
для выделения чистых веществ из смеси.}

_{3.
Аналитические возможности хроматографических методов}

_{Хроматография – наиболее распространённый, надёжный и
универсальный метод разделения самых разнообразных смесей. Преимущества
хроматографии перед другими методами разделения состоят в высокой разделяющей
способности и возможности разделения небольших количеств веществ, она является
важным методом идентификации и определения веществ. Являясь высокоэффективным и
высокоселективным методом, препаративная
хроматография незаменима при разделении сложных объектов, содержащих множество
индивидуальных веществ с близкими физико-химическими
характеристиками (нефть, лекарственные препараты, вещества растительного
происхождения, кровь и т. д.). Выбор конкретных условий проведения хроматографического анализа определяется природой и
составом анализируемого объекта.}

_{Методы газовой хроматографии позволяют анализировать
летучие термостабильные вещества с молекулярной массой меньше 400 независимо от
их агрегатного состояния. Жидкостная хроматография в различных вариантах – это
метод разделения и анализа многокомпонентных смесей нелетучих веществ в
растворах.}

_{Жидкостная хроматография применима для более широкого
круга веществ, чем газовая, так как большинство соединений не обладает
летучестью и термостабильностью.}

_{Следует
особо отметить экспрессность хроматографического
разделения смесей - разделение нескольких компонентов можно осуществить за
минуты и даже секунды. Хроматографические методы
определения обладают высокой чувствительностью (до 10–8 %) и точностью (до
0.5%).}

_{Метод
газовой хроматографии}_{получил наибольшее распространение, поскольку
для него наиболее полно разработаны теория и аппаратурное оформление – это
гибридный метод, позволяющий одновременно проводить и разделение, и определение
компонентов смеси.}

_{В качестве подвижной фазы (газа-носителя) используют
газы, их смеси или соединения, а в качестве неподвижной фазы - твёрдые сорбенты
или жидкость, нанесённую тонким слоем на поверхность инертного носителя.}

_{Достоинства
газовой хроматографии:}

_{-
возможность идентификации и количественного определения индивидуальных
компонентов сложных смесей;}

_{-
возможность изучения различных свойств веществ и физико-химических
взаимодействий в газах, жидкостях и на поверхности твёрдых тел;}

_{- высокая
чёткость разделения и быстрота процесса;}

_{-
возможность исследования микропроб и автоматической
записи результатов;}

_{-
возможность анализа широкого круга объектов – от лёгких газов до
высокомолекулярных органических соединений;}

_{-
возможность выделения чистых веществ в препаративном
и промышленном масштабе.}

_{1. Газоадсорбционная
хроматография (ГАХ)}

_{В ГАХ разделение анализируемых компонентов основано на
различном сродстве их к твёрдому адсорбенту. При хроматографировании
многократно повторяется процесс адсорбции разделяемых компонентов зёрнами
адсорбента и их десорбции в подвижную газообразную фазу. Селективность
адсорбента определяется характером и прочностью взаимодействий разделяемых
веществ с поверхностью адсорбента.}

_{Достоинством}_{ГАХ является
высокая разделительная способность при анализе смесей газов и паров
низкокипящих веществ. Высокая термическая устойчивость и нелетучесть
адсорбентов позволяет анализировать высококипящие соединения без снижения
чувствительности детекторов. Для ГАХ характерна более высокая скорость
массообменных процессов по сравнению с газожидкостной хроматографией, что
сокращает время выполнения анализов.}

_{К недостаткам
ГАХ относится неоднородность поверхности адсорбентов, их химическая и
каталитическая активность, повышенная адсорбционная активность, а также
нелинейность изотермы адсорбции.}

_{2. Газожидкостная хроматография (ГЖХ)}

_{В основе ГЖХ лежит явление селективной абсорбции
(растворения) компонентов смеси неподвижной жидкой фазой – абсорбентом.}

_{Неподвижную
жидкую фазу в виде плёнки наносят на внутренние стенки капиллярной колонки или
на зёрна твёрдого носителя, которым заполняется насадочная колонка. Для
разделения компонентов смеси решающее значение имеют силы взаимодействия
молекул газа или пара хроматографируемого вещества с
молекулами абсорбента. Эти силы зависят от структуры и свойств молекул как неподвижной жидкой фазы, так и анализируемых
веществ.}

_{Метод ГЖХ имеет более широкие аналитические возможности
по сравнению с ГАХ, т. к. избирательность растворения газов в плёнке жидкости
гораздо больше, чем различие в их адсорбционных свойствах. Существенным
преимуществом ГЖХ перед ГАХ является то, что изотерма абсорбции линейна в более
широком интервале концентраций, чем изотерма адсорбции.}

_{Блок-схема аналитического
лабораторного газового}

_{хроматографа состоит:}

_{1 — баллон с
газом-носителем,}

_{2 — блок
подготовки газов,}

_{3 —
устройство для ввода пробы,}

_{4 —
термостат,}

_{5 — хроматографическая колонка,}

_{6 —
детектор,}

_{7 —
усилитель,}

_{8 —
регистратор.}

_{Блок
подготовки газов (2) служит для регулировки и поддержания постоянного расхода
газа-носителя. Устройство для ввода пробы (3) позволяет вводить в поток
газа-носителя непосредственно перед колонкой определённое количество
анализируемой смеси в газообразном состоянии. Оно включает испаритель и
дозирующее устройство. Поток газа-носителя вносит анализируемую пробу в колонку
(5), где осуществляется разделение смеси на отдельные составляющие компоненты.
Последние в смеси с газом-носителем подаются в детектор (6), который преобразует соответствующие изменения физических или
физико-химических свойств смеси компонент–газ-носитель по сравнению с чистым
газом-носителем в электрический сигнал. Детектор с соответствующим блоком
питания составляет систему детектирования. Требуемые температурные режимы
испарителя, колонки и детектора достигаются помещением их в соответствующие
термостаты, управляемые терморегулятором. Если необходимо повышать температуру
колонки в процессе анализа, используют программатор температуры. Термостаты и
терморегулятор с программатором составляют систему термостатирования,
в которую также входит устройство для измерения температуры. Сигнал детектора,
преобразованный усилителем, записывается в виде хроматограммы
регистратором. Часто в схему включают электронный интегратор или компьютер для
обработки данных.}

_{Выбор оптимальных условий разделения и
анализа при}

_{использовании}_{метода ГЖХ}_:

_Д_{ля разделения смеси двух
веществ необходимо выбрать неподвижную фазу, подобную по химической природе и
свойствам одному из компонентов разделяемой смеси; для сложных смесей можно
выбрать неподвижные фазы, руководствуясь требованиями, предъявляемыми к ним:}

_{1. Неподвижная жидкая фаза должна быть селективной.}

_{2. Не должны протекать необратимые реакции между веществом жидкой фазы
и анализируемыми веществами, а также твёрдым носителем и газом-носителем.}

_{3. Неподвижная жидкая фаза не должна быть летучей при температуре хроматографирования, чтобы не влиять на показания
детектора.}

_{При выборе неподвижной фазы прежде всего рассматривают их главное свойство –
селективность, которая должна обеспечить полное разделение компонентов
анализируемой смеси.}

_{При
выборе твёрдого инертного носителя}_{необходимо обеспечить наиболее
эффективное использование неподвижной жидкости. В связи с этим носитель должен
обладать следующими свойствами:}

_{- значительной удельной поверхностью, позволяющей нанести жидкость в
виде тонкой плёнки и не допускающей её перемещения под действием силы тяжести
или по другим причинам;}

_{- малой адсорбционной способностью по отношению к разделяемым
веществам;}

_{- отсутствием каталитической активности, химической инертностью;}

_{- достаточной механической прочностью, так как в процессе подготовки сорбента
и заполнения колонки частицы носителя истираются;}

_{- способностью к равномерному заполнению колонки;}

_{- стабильностью при повышенных температурах;}

_{- смачиваемостью поверхности нанесённой на
неё неподвижной жидкостью.}

_{К газам, применяемым в
газожидкостной хроматографии, предъявляются следующие требования:}

_{1. Газ-носитель должен быть инертен по отношению к разделяемым
веществам и сорбенту, взрывобезопасным и достаточно чистым.}

_{2. Газ-носитель должен обеспечивать высокую чувствительность детектора.}

_{3. Газ-носитель должен быть вполне доступным, поскольку в ходе хроматографического процесса он расходуется в значительных
количествах.}

_{В зависимости от конкретных условий проведения процесса в качестве
газа-носителя обычно используют азот, водород, гелий, аргон, реже – диоксид
углерода и воздух.}

_{Объём пробы должен быть оптимальным т.к.}_{при увеличении ее объёма возможна перегрузка
колонки, что отрицательно сказывается на качестве разделения компонентов. В то
же время количество вводимого вещества должно быть достаточным для получения
необходимого сигнала детектора. На практике размер пробы определяют
экспериментально.}

_{3. Плоскостная хроматография}

_{К
плоскостным видам хроматографии относят бумажную (БХ) и тонкослойную (ТСХ). Эти
два вида жидкостной хроматографии просты по технике выполнения, экспрессны, не требуют дорогостоящего оборудования.
Разделение этими методами может быть выполнено с использованием
хроматографических систем жидкость–твердый сорбент и
жидкость–жидкость–твердый сорбент. Тонкослойную хроматографию используют чаще,
чем бумажную.}

_{В методе ТСХ неподвижная твердая фаза тонким
слоем наносится на стеклянную, пластмассовую или металлическую пластинку. В
качестве подвижной фазы используют различные растворители или их смеси, органические
и неорганические кислоты. Выбор растворителя зависит от природы сорбента и
свойств анализируемых соединений.}

_{При
качественном анализе}_{идентификация вещества может быть сделана,
если пятно определяемого вещества имеет характерную окраску.}

_{Количественные}_{определения в ТСХ могут быть сделаны
непосредственно на пластинке, в этом случае измеряют площадь пятна и по заранее
построенному градуировочному графику находят
количество вещества.}

_{При БХ
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.}

_{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 каждого 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.}