4.2.4. Осадочная хроматография
Разделение веществ происходит за счет различия в растворимости осадков, образуемых компонентами смеси с реагентом, нанесенным на инертный носитель. Колонку заполняют инертным носителем, на который наносят реагент, образующий малорастворимые сосдинения с компонентами разделяемой смеси, затем пропускают смесь разделяемых веществ. Для лучшего разделения промывают колонку чистмм растворителем. Расположение зон разделяемых компонентов определяется произведением растворимости (ПР) их осадков. Первыми выпадают осадки с наименьшим ПР.
Вместо колонок с носителем может быть использована хроматографическая бумага и пластины с тонким слоем.
Качественный и количественный анализ в осадочной хроматографии проводят методами, аналогичными распределительной хроматографии.
4.2.5. Газовая хроматография
Газовая хроматография является основным методом разделения и анализа сложных газовых смесей, паров, а также веществ, которые могут быть превращены в летучие соедипеиия. В зависимости от способа разделения газовую хроматографию подразделяют на газо-твердофазную (газо-адсорбционную) ГТХ и газо-жидкостную хроматографию ГЖХ.
В газо-адсорбционной хроматографии используется процесс сорбции и десорбции разделяемых компонентов на поверхности твердого пористого вещества - адсорбевта. В качестве адсорбентов применяют: активированный уголь, силикагели разных марок, молекулярные сита (циолиты), синтетические сорбенты и др.
В газо-жидкостной хроматографии анализирусмая газовая смесь проходит через колонку, наполненную твердым носителем, на поверхность которого нанесен тонкий слой жидкой фазы. Эффективность разделения стала определяться не процессами сорбции-десорбции газа, как это было в газо-адсорбционной хроматографии, а процессами растворения газа в жидкой пленке и его выделения. Неподвижной фазой в этом случае используют вазелиновое масло, силиконовое масло, сквалан, сложные эфиры органических кислот и др.
Для разделения веществ и их перемещения вдоль колонки (подвижная фаза) используют инертные газы - водород, азот, аргон, гелий и др.
В газо-адсорбционвой и газо-жидкостной хроматографии исследования проводятся в газовых хроматографах различных типов. Принципиальная схема газового хроматографа представлена на рис. 4.7.
Газ-носитель поступает в хроматографическую колонку 7 из баллона 1 через вентиль тонкой регулировки скорости газового потока 2. На пути в колонку в дозатор 5 вводится определенное количество смеси исследуемых компонентов при помощи специальных присоособлениi (шприцев-пипеток, стеклянных ампул, тигельков). Инертный газ вместе с парами этого вещества поступает в колонку 7 (спиральная, согнутая, капиллярная), помещенную в термостат б (постоянство температурного режима - важный фактор). В некоторых случаях термостат движется вдоль адсорбционной колонки навстречу идущему газу. Компоненты исследуемой смеси в соответствии со своими сорбционными свойствами с разной скоростью движутся по колонке, и выходят из нее.
Повышение температуры ускоряет процесс разделения. Газ-носитель выходит из колонки с разделенными индивидуальными компонентами и поступает в детектор 8, связанный с самописцем 9, фиксирующим результаты анализа.
Одним из наиболее важных элементов любого газового хроматографа является детектор. Он преобразует изменение состава газа, выходящего из хроматографической колонки, в электрический или пневматический сигнал, который записывается компенсационным самописцем.
Рис. 4.7. Схема газового хроматографа
Детекторы подразделяются на интегральные и дифференциальные.
Сигнал интегрального детектора пропорционален общей массе вещества в элюированной полосе. Хроматограмма, полученная с помощью интегрального детектора, состоит из серии ступеней, высота которых пропорциональна массе компонента, соответствующего данной ступени.
В хроматографак используют, главным образом, дифференциальные детекторы двух типов: концентрационные, показания которых определяются концентрацией вещества в газе-носителе, и массовые, показания которых определяются скоростью подвода измеряемого вещества, поступающего в детектор в потоке газа-носителя.
Наиболее распространенными являются термокондуктометрические (катарометры) и пламенно-ионизационный детекторы (ПИД).
Принцип действия катарометра основан на изменении электрического сопротивления датчика (нити, спирали) в зависимости от теплопроводности газа, выходящего из хроматографической колонки. Достоинством катарометра является его устойчивость и универсальность.
Пламенно-ионизационный детектор основан на измерении электропроводности водородного пламени, в котором сжигается анализируемая газовая смесь. При горении чистого водорода почти не образуется ионов, поэтому электропроводность чистого водородного пламени чрезвычайно низка, но так как молекулы большинства органических соединений ионизируют в пламени водорода, то электропроводность его резко возрастает. Эти детекторы значительно чувствительнее термокондуктометрических.
b
b
h
ввод пробы
τ
τR
Рис. 4.8. Вид хроматографического пика: в - ширина пика на половине его высоты; h - высота пика; τR- время удерживания сорбируемого вещества.
Показания детектора регистрируются в виде хроматографических кривых. Хроматограмма представляет собой график зависимости сигнала детектора в милливольтах от времени, или объема газа-носителя. Хроматограмма включает нулевую линию, соответствующую протеканию через детектор чистого газа-носителя и ряд пиков, отвечающих прохождению через детектор совместно с газом-носителем компонентов пробы.
Анализ хроматограмм дает информацию о качественном и количественном составе смеси (рис. 4.8).
Время от момента ввода пробы до выхода максимума пика называется временем удерживания. Каждое соединение имеет свое определенное время удерживания, не зависящее от присутствия других компонентов при постоянстве таких параметров как длина колонки, природа сорбента, скорость потока газа. Поэтому время удерживания используется для идентификации веществ на хроматограмме, т.е. проводится качественный анализ.
Качественный анализ хроматограмм проводится рядом методов.
1. Идентификация по времени удерживания (или по объему удерживания) основана на сравнении времени удерживания неизвестного компонента и известного вещества, проанализированного в тех же условиях.
2. Идентификация при помощи веществ-тестеров. Эталонный компонент, наличие которого предполагают в смеси, добавляют к пробе. Увеличение соответствующих пиков указывает на присутствие того или иного компонента.
З. Идентификация по табличным данным. Исследуемую смесь разделяют на колонке при условиях, указанных в соответствующей таблице и на основе полученной хроматограммы определяют отдельные компоненты по табличным данным.
4. Идентификация компонентов хроматографируемой смеси физико- химическими методами анализа проводится с использованием инфракрасной спектроскопии, кулонометрии, пламенной фотометрии фотолектроколориметрии и спектроскопии, пламенной фотометрии и др.
Количественный анализ проводится с использованием сигнала детектора по хроматограмме. Между сигналом детектора S и концентрацией С компонента существует зависимость, выраженная уравнением:
S = КС,
где К - коэффициент пропорциональности.
Расчеты по количественной оценке хроматограмм при применении дифференциальных и интегральных детекторов ведут соответственно по пикам или по высотам ступенек интегральной кривой.
Для определения площадей пиков хроматограмм применяют метод треугольника, метод интегрирования при помощи планиметра, также механическое, электромеханическое и электронное интегрирование; вырезание пиков и взвешивание, и другие методы оценки.
Современные хроматографы имеют интеграторы, которые проводят автоматическое определение площадей пиков.
Газовая хроматография в настоящее время широко применяется не только при анализе и разделении органических веществ (углеводородов, спиртов, витаминов, антибиотиков, кислот и др.), но и при изучении сложных биохимических, микробиологических, коллоидных и других систем.
Газовая хроматография в сочетании с другими физико-химическими методами (масс-, ИК-спектроскопия, ядерно-магнитный резонанс и др.) значительно расширяет круг решаемых аналитических и физико-химических задач.