Классификация методов хроматографии

Хроматографический метод М. С. Цвета является универсальным методом разделения и анализа смесей веществ самой различной природы. Разнообразие конкретных задач привело к возникнове­нию множества вариантов метода.

Классификация по признаку природы явлений, лежащих в ос­нове разделения (Е. Н. Гапон), подразделяет хроматографию на три основных вида: 1) адсорбционную; 2) распределительную; 3) осадочную.

Как показывает название, в основе адсорбционной хромато­графии лежит адсорбция разделяемых веществ на твердой по­верхности выбранного адсорбента. Адсорбция обусловлена или физическими ван-дер-ваальсовыми силами межмолекулярного взаимодействия в системе адсорбат—адсорбент (молекулярная хроматография), или силами химического сродства, действующи­ми, например, в процессе реакции при обмене ионов разделяе­мых компонентов на поверхностные ионы применяемого ионооб­менного адсорбента (ионообменная хроматография). В обоих слу­чаях главным условием для осуществления разделения должно быть различие энергии адсорбции разделяемых веществ, что равносильно различию коэффициентов адсорбции.

В основе распределительной хроматографии лежит раствори­мость разделяемых веществ в жидкости; главное условие для их разделения — различие в растворимости. Однако, поскольку разделение протекает на границе двух фаз, несмешивающихся между собой,— неподвижной (жидкости) и подвижной (жидкости идя газа), то правильнее сказать, что в данном случае процесс разделения определяется различием коэффициентов распределения разделяемых веществ между обеими фазами. Отсюда происходит и само название данного варианта хроматографии — распределительная. Природа сил межмолекулярного взаимодействия имеет тот же характер, что и в адсорбционной хроматографии. Но в первую очередь это ван-дер-ваальсовы силы.

В основе осадочной хроматографии лежит образование нерастворимых соединений в результате химических реакций разделяемых веществ с реактивом-осадителем. ]

Внутри каждого вида хроматографии по мере их развития возникали и продолжают возникать различные варианты или разновидности. Так, адсорбционная и распределительная хроматография может осуществляться на колонках, фильтровальной бумаге, тонком слое сорбента, нанесенном на стеклянную пластинку; колонки могут иметь различную форму и конструкцию.

В зависимости от этих факторов различные варианты получают соответствующие названия: колоночная, бумажная, тонкослойная и т. д..

12. Основные виды хроматографии: жидкостно-адсорбционная, газо-адсорбционная, жидкостно-жидкостная и газожидкостная хроматографии.

Классификация по агрегатному состоянию неподвижной и под­вижной фаз получила наибольшее распространение. Этой класси­фикации соответствует и определение хроматографии, данное из|вестным специалистом по газовой хроматографии А. Кейлемансом: «Хроматографией называется физико-химический метод разделения, при котором разделяемые компоненты распределены между двумя фазами, одной из которых является неподвижный слой с большой поверхностью, а другой — поток, фильтрующийся, через неподвижный слой».

Неподвижная фаза может быть твердым телом, обладающим адсорбционными свойствами (адсорбционная хроматография), или жидкостью, нанесенной для создания большей поверхности обмена на границе раздела фаз на гранулированный инертный материал'— носитель (распределительная хроматография).

Подвижная фаза может быть жидкостью, газом или паром. Соответственно, можно выделить четыре основных вида хроматографии: жидкостно-адсорбционная, газо-адсорбционная, жидкостно-жидкостная и газожидкостная. Эта классификация была рекомендована и получила одобрение на Первом международном симпозиуме по газовой хроматографии, состоявшемся в 1956 г. в Лондоне.

Классификация на основе методики проведения анализа. Приведем подробную характеристику трех наи­более универсальных способов: 1) фронтального; 2) элюентного; 3) вытеснительного.

Фронтальный способ наиболее прост по выполнению. Через хроматографическую колонку с сорбентом непрерывным потоком пропускают раствор исследуемой смеси веществ или газовую смесь. В результате сорбент насыщается компонентами смеси. Если компоненты различаются по сорбируемости, то соответственно этому они располагаются в колонке. Однако они разделяются не полностью.

В чистом виде может быть выделен лишь первый, наиболее слабо сорбирующийся компонент, который движется вдоль слоя сорбента впереди остальных. За зоной первого ком­понента следует в непосредственном контакте зона, содержащая первый и второй компоненты. Третья зона содержит смесь пер­вого, второго и третьего компонентов и т. д.

В некоторый момент времени сорбент насыщается и наступает «проскок», т. е. из ко­лонки начинает выходить первый, наиболее слабо сорбирующийся компонент. Если пропускать жидкость или газ, выходящие из колонки, через детектор концентраций и наносить показания его в течение всего опыта на график, то полученная выходная кривая будет иметь форму ступенчатой кривой, где число ступеней равно числу разделяемых компонентов смеси.

Несмотря на простоту, фронтальный способ не нашел широкого применения в анализе, так как не дает полного разделения. Од­нако он весьма эффективен для препаративного выделения чис­того вещества из технического продукта при условии, конечно, что это вещество удерживается в колонке слабее всех других компонентов продукта.

Типичные примеры фронтального способа: очистка воды пермутитами или другими ионообменными адсор­бентами, очистка воздуха активированными углями от отравляю­щих веществ в противогазах и вентиляционных фильтрах хими­ческих предприятий. С точки зрения химика-аналитика метод пригоден для предварительного качественного анализа неизвест­ной смеси и особенно для определения числа входящих в ее состав компонентов, что, например, делал М. С. Цвет при предваритель­ном исследовании состава хлорофилловых пигментов.

Возможность применения фронтального способа для определе­ния количественного состава, как уже говорилось, ограничена из-за неполноты разделения. Классон (Швеция), разработавший теорию этого способа, предложил ряд формул для расчета коли­чественного состава сложной смеси, однако практическое приме­нение этих формул затрудняется необходимостью точного пред­варительного определения объемов удерживания и изотермы адсорбции отдельных компонентов.

Необходимо также отметить, что этот способ может быть эффективен лишь в случае выпуклой и линейной формы изотермы адсорбции компонентов исследуемой смеси, так как лишь тогда получаются четкие крутые ступени на выходной кривой. Из этого следует, что для осуществления фрон­тального способа наиболее подходящими должны быть высокоак­тивные адсорбенты, например активированный уголь, силикагель.

Элюентный (проявительный) способ выгодно отличается от фронтального тем, что он позволяет полностью разделить много­компонентную смесь. В отличие от фронтального способа в элюентном исследуемую смесь вводят в колонку в виде порции раствора или газа, а не непрерывно, как при фронтальном способе.

После введения такой порции колонку промывают растворителем или газом-носителем (проявляют). На выходе из колонки детектор фиксирует непрерывно концентрацию компонентов, а связанный с ним регистрирующий прибор записывает выходную кривую в виде ряда пиков, число которых соответствует числу разделенных ком­понентов.

Элюентный способ получил наиболее широкое применение, причем как в жидкофазной, так и в газовой хроматографии и не только с аналитической, но и с препаративной целью. Это объясняется тем, что при правильном выборе условий разделения (сорбента, температуры колонки, скорости потока проявителя, количества исследуемой смеси, вводимой в колонку, и др.) из колонки компоненты смеси выходят практически в чистом виде и их можно выделить для исследования другими методами, а качественный и количественный состав можно определить простым измерением объемов удерживания и площадей пиков.

Вытеснительный способ отличается от фронтального и элюентного тем, что после введения пробы исследуемой смеси колонку промывают растворителем или газом-носителем, к которым добав­лено растворимое вещество (в жидкофазной хроматографии) или вещество в газообразном (парообразном) состоянии (в газовой хроматографии).

Это вещество должно адсорбироваться сильнее любого из компонентов разделяемой смеси и называется вытес­нителем, так как оно, обладая наибольшей адсорбируемостью, вытесняет более слабо адсорбирующиеся компоненты.

Благодаря эффекту адсорбционного вытеснения, открытому М. С. Цветом, происходит вытеснение компонентов из адсорбента в последова­тельности, соответствующей их адсорбируемости, и компоненты раз­деляются; при этом зоны компонентов движутся по слою адсор­бента с одинаковой скоростью, соприкасаясь между собой, по направлению к выходу из колонки.

К моменту полного насыщения адсорбента вытеснителем де­тектор запишет ступенчатую выходную кривую, отличающуюся от фронтальной кривой тем, что каждая ступень соответствует чистому компоненту. Высота ступени характеризует компонент с качественной стороны, а длина ступени пропорциональна содер­жанию данного компонента в исследуемой смеси.

Обязательным условием для хорошего разделения, в противоположность элюентному способу, является резко выраженная выпуклая форма изо­терм адсорбции разделяемых компонентов и вытеснителя.

А это условие выполнимо лишь в случае применения высокоактивных адсорбентов: активированных углей (березового БАУ, каменно­угольного антрацита АГ-2, норита), силикагелей различных марок и др.

Трудность выбора концентрации вытеснителя в проявителе, взаимная диффузия на границе зон, препятствующая получению на выходе из колонки достаточно чистых компонентов разделяе­мой смеси, а также длительность процесса разделения затрудняют использование этого способа в аналитических целях. Однако для препаративных целей способ не потерял значения, так как воз­можность применения таких высокоактивных и доступных адсорбентов, как активированные угли, позволяет достигать высокой производительности. Достоинством способа является также то, что зоны не размываются в отличие от элюентного способа.

До конца 50-х годов промышленность не производила газовых и жидкостных хроматографов, и хроматографисты своими силами изготовляли и налаживали простейшие газо-хроматографические установки.

Тем не менее первоначальные и наиболее оригиналь­ные открытия, как, например, открытие Мартином и Джеймсом газо-жидкостной хроматографии, были сделаны именно с примене­нием простейшей аппаратуры.

Любая простейшая хроматографическая установка или хрома­тограф промышленного изготовления состоит из следующих ос­новных узлов:

1. источник газа-носителя с системой очистки, регулирования и измерения его потока через хроматографическую колонку;

2. узел ввода пробы в колонку;

3. хроматографическая колонка;

4. детектор с регистратором (визуальным или самопишущим);

5. интегратор, ЭВМ, дисплей.

Рис. 2. Типовая схема лабораторной газо-хроматографнческой установки

На рис.2. приведена принципиальная схема газового хро­матографа с детектором по теплопроводности (катарометром) и самописцем.

Газ-носитель (азот, гелий, водород и др.) из баллона высокого давления 1 через редуктор 2 и вентиль тонкой регули­ровки 3 поступает в осушительную трубку 4, наполненную прока­ленным хлоридом кальция и молекулярными ситами для очистки газа-носителя от посторонних газов и паров.

Затем, минуя мано­метр 5, он проходит через подогреватель 6 в ячейку катарометра 7 и узел ввода пробы 8. Захватив пробу анализируемой смеси в виде пара или газа, которую вводят в колонку через резиновую мембрану узла ввода пробы, газ-носитель направляется в хроматографическую колонку 9.

В колонке анализируемая смесь разде­ляется 7 и узел ввода пробы 8. Захватив пробу анализируемой смеси в виде пара или газа, которую вводят в колонку через резиновую мембрану узла ввода пробы, газ-носитель направляется в хроматографическую колонку 9.

В колонке анализируемая смесь разде­ляется на составные компоненты. Колонка и детектор термостатируются воздушным или водяным термостатом 10. По выходе из колонки газ-носитель вместе с вымываемыми из нее компонен­тами поступает в измерительную ячейку катарометра, а далее через реометр // или другой измеритель скорости потока направ­ляется в атмосферу. Хроматограмма записывается электронным потенциометром 12.

Разделительная способность колонки зависит от целого ря­да факторов: от природы и количества неподвижной фазы, о т величины частиц адсорбента или носителя, их удельной повер­хности и размеров пор, от равномерности их набивки, от ди­ны и диаметра колонки, от температуры, от скорости потока газа-носителя и распределения давления газа вдоль колонки и от величины и скорости испарения введенной пробы.

Универсальность газовой хроматографии потребовала разработки более универсальных хроматографов. Возросли также требования к чувствительности детекторов, особенно в связи с возникшей в начале 60-х годов проблемой анализа мономеров и Особо чистых веществ на содержание микропримесей. Резко возросла потребность в газовых хроматографах с широкими возможностями применения, что послужило толчком к развитию промышленного производства газовых хроматографов универсального типа как в нашей стране, так и за рубежом.

Современный газовый хроматограф состоит из следующих основных частей.

1. Устройство подготовки пробы для хроматографического анализа (обогащение, концентрирование, пиролиз).

2. Баллон с газом-носителем или лабораторная линия со сжатым газом и газовая панель, включающая в себя очистку газа, установку расхода газа или давления, стабилизацию давления и измерение .этого давления или расхода газа. Очистка газа-носителя контролируется фоновым током — нулевой линией самописца: если есть дрейф и флуктуация ее после длительной продувки колонки, значит, загрязнен газ-носитель.

3. Устройство для ввода пробы и для ее испарения — дозатор-испаритель.

4. Хроматографическая колонка.

5. Термостат колонки, регулирующий нужную температуру и измеряющий ее.

6. Детектор, преобразующий изменение состава компонентов в электрический сигнал.

7. Измерительная схема, содержащая питание детектора, измерение и усиление сигнала.

8. Регистратор, записывающий в координатах время — сигнал результаты хроматографического анализа.

Электронный интегратор, автоматически фиксирующий площадь пика и время его выхода, цифропечатающее устройство, дисплей.

13. Детекторы в газовой хроматографии: катарометр, ДИП, термохимический детектор, аргоновый детектор, электронно-захватный детектор, детектор по плотности газов (плотномер), пламенно-фотометрический детектор.

Применение газовой хроматографии для исследования углеводородных систем

Детекторы

Методы обнаружения /детектирования/ и измерения количес­тва компонентов могут быть распределены на две группы: к первой относятся интегральные детекторы, ко второй - диффе­ренциальные.

В первом случае компоненты в потоке регистрируются суммарно. Выходная кривая здесь приобретает волнооб­разную форму и состоит из серии восходящих ступеней. При использовании интегральной системы детектирования коли­чества каждого компонента определяется непосредственно.

В связи с бесцветностью газов и паров в газовой хроматографии наблюдают за ходом разделения, непрерывно исследуя газ, выхо­дящий из хроматографической колонки, физическим прибором — детектором. Последний непрерывно измеряет концентрацию ком­понентов на выходе их из хроматографической колонки и преоб­разует концентрацию в электрический сигнал, который регист­рируется самопишущим прибором. На движущейся ленте самописца получается пикообразная или ступенчатая выходная кривая — хроматограмма, которая играет ту же роль, что и окрашенная хроматограмма Цвета, хотя по внешнему виду с ней ничего об­щего не имеет.

Система детектирования хроматографа — устройство, измеряю­щее и регистрирующее результаты хроматографического анализа. Система детектирования состоит из трех элементов — детектора, усилителя и регистратора.

Детектор преобразует изменение состава в изменение сигна­ла. Часто его называют первичным регистрирующим прибором, мозгом хроматографической установки. Вторичным регистрирую­щим прибором является регистратор — прибор, записывающий сигнал.

Сигнал в детекторе возникает в результате попадания молекул анализируемого вещества в детектор. Если хроматографическое разделение проведено правильно (т. е. вещества разде­ляются), то в детектор входит бинарная смесь — газ-носи­тель + компонент.

История развития газовой хроматографии в известной степе­ни есть история развития детектора. На первом этапе детектиро­вание основывалось на химическом определении суммарного коли­чества вещества (поглощение газа-носителя, титрование и т. д.).

Применение катарометра— детектора, работающего по прин­ципу измерения теплопроводности, произвело известный переворот в газовой хроматографии. Однако катарометр обладает рядом не­достатков. Невысокая чувствительность делает его мало пригод­ным для анализа примесей и микропримесей. Зависимость пока­заний катарометра от температуры, давления и скорости потока газа-носителя вносит погрешности в результаты анализа. В связи с этим предпринимались поиски новых физических принципов детектирования: измерение плотности (газовые весы Мартина), теплоты адсорбции, диэлектрической постоянной и др.

В термохимическом детекторе используется эффект теплоты сгорания компонентов анализируемой пробы в присутствии ката­лизатора— платинового проволочного сопротивления. Этот детек­тор чувствительнее катарометра. Однако он не получил широкого распространения из-за малой устойчивости каталитических элемен­тов и недостаточной стабильности калибровочных данных.

Общие требования, предъявляемые к детекторам:|

- достаточная чувствительность для решения конкретной аналитической или препаративной задачи;

- малая инерционность;

- малая зависимость показаний от параметров опыта (температуры, давления, скорости потока и т. д.);

- линейная связь между показаниями и концентрацией в широком интервале ее изменения;

- легкость записи показаний и передачи их на расстояние;

- простота, дешевизна изготовления;

- стабильность нулевого показания.

Основные характеристики детекто­ров: чувствительность, граничная (по­роговая) чувствительность, инерцион­ность, линейный динамический диа­пазон.

Чувствительность передает связь между показаниями прибора (величиной сигнала детектора) и из­меряемой характеристикой (концент­рацией, потоком).

Время отклика детектора на сигнал не должно превышать 1 с. Инерционность вызывает смешение компонентов в детекторе и искажает результаты анализа. Постоянная времени τ_o детектора должна быть значительно меньше времени прохождения бинарной смеси через камеру детектора, иначе сигнал детектора не будет пропорционален концентрации компонента (будет занижен). По­стоянную времени детектора τ_o определяют следующим образом. Какой-либо ком­понент вводят в детектор помимо колонки. Инерционность нахо­дят по ширине полученного в этих условиях пика (обычно это пик воздуха) и выражают в секундах.

Точность количественного анализа зависит от формы зависи­мости между концентрацией и сигналом детектора. Анализ тем точнее, чем ближе эта зависимость к линейной. Линейность пока­заний можно определить по тангенсу угла наклона кривой зави­симости сигнала детектора от концентрации, построенной в ло­гарифмической шкале. В случае идеальной линейности этот нак­лон равен 1,00.

Линейность пламенно-ионизационного детектора 0,95—0,99. Линейныи динамический диапазон можно определить как отношение наибольшей и наименьшей концентра­ций, между которыми заключена область линейных показаний детектора. Свойство детектора сохранять чувствительность с изменением концентрации называется линейностью детектора. Наиболее распространены следующие дифференциальные детекторы.

1. Катарометр (детектор по теплопроводности). Принцип ра­боты катарометра (рис. 1) основан на том, что нагретое тело теряет теплоту со скоростью, зависящей от состава окружающего газа. Поэтому скорость теплоотдачи может быть использована для определения состава газа. Действие этого детектора основа­но на сравнении теплопроводности анализируемого вещества и газа-носителя.

Рис. 1. Катарометр в разрезе:

1 - выходные контакты мостовой схе­мы; 2 - проходной фарфоровый изоля­тор: 3 - тефлоновая пробка; 4 - при­жимная гайка; 5 - пуансон; 6 - водя­ная рубашка; 7 - нагревательные эле­менты; 8 - блок-корпус; 9 - крышка: 10 - штуцеры; 11 - тефлоновая про­кладка.

Контакты А – В - к гальванометру или самописцу

Рис. 2. Мостовая измеритель­ная схема катарометра:

R_1, R₂-нагревательныеэлементы: R₃ и R₄ - проволочные стандартные сопротивления; R₅ - нулевой потенциометр; R₆ - токовый реостат: A_k - аккумуляторная щелочная батарея НКН-100; mА — миллиамперметр.

Первый прибор для определения чистоты газов был предложен в 1915 г. Шейкспиром и назван катарометром (от гр. Каtharos - чистый). Классон в 1946 г. предложил использовать катарометр в качестве детектора в газовой хроматографии.

Катарометр надежен в работе и прост в изготовлении. Он пред­ставляет собой массивный блок из латуни или нержавеющей стали с двумя ячейками, в каждой из них находятся чувстви­тельные нагревательные элементы - нити из вольфрамовой или платиновой проволоки или термисторы.

Термисторами называют полупроводниковые термосопротивления с более высоким темпе­ратурным коэффициентом сопротивления по сравнению с воль­фрамовыми и платиновыми нитями. Они представляют собой спекшиеся смеси оксидов марганца, кобальта и никеля с до­бавлением микроэлементов для обеспечения желаемых элек­трических свойств.

Термистор имеет форму маленького шари­ка, для обеспечения химической инертности покрытого стеклом. Термисторы обладают существенными преимуще­ствами перед нитями накала: у них меньше размеры, значительно больше сопротивление, отрицательный температурный коэффи­циент сопротивления. Чувствительность термистора снижается с повышением температуры (в два раза при нагревании на каждые 30°С), поэтому на низкотемпературном термисторе рекомендуется работать при температуре не выше 100°С. При более высокой температуре рекомендуется применять платиновые или вольфра­мовые нити диаметром 5 мкм или высокотемпературные термисторы. Один из каналов в блоке катарометра является измери­тельной ячейкой, другой — сравнительной.

На рис. 2 представлена электрическая схема катарометра.

Принцип работы катарометра заключается в следующем. На­гревательные элементы в сравнительной и рабочей ячейках нагре­вают постоянным электрическим током от аккумуляторной бата­реи НКН-ГОО или от специального стабилизированного источника питания. Теплопроводность окружающего нагревательные элемен­ты газа определяет температуру, а следовательно, и сопротивление нагревательных элементов. Когда через обе ячейки катарометра протекает чистый газ-носитель, температура нагревательных эле­ментов одинакова. Если через сравнительную ячейку катарометра протекает чистый газ-носитель, а через измерительную - газ-но­ситель плюс компонент, выходящий из хроматографической ко­лонки, то температура, а следовательно, и сопротивление нагре­вательных элементов будут разные, что нарушает баланс измери­тельного моста. Различие в температуре обусловлено различием в теплопроводности газа в сравнительной и измерительной ячейках катарометра.

Поскольку абсолютное измерение теплопроводности затруднено, применяют мостовую схему Уитстона (см. рис. 2). Она содер­жит два нагревательных элемента R₁ и R₂, вмонтированных в катарометр, и два одинаковых проволочных сопротивле­ния R₃ и R₄. Чувствительные нагревательные элементы являются, следова­тельно, активными плечами мостовой измерительной схемы (мост Уитстона). На измерительный мост подается постоянное стаби­лизированное напряжение 6—12 В. Температура чувствительных элементов повышается до тех пор, пока не установится равнове­сие между подводимой электрической энергией и потерей теплоты. Скорость теплоотвода зависит от температуры стенок ячеек, кото­рые должны иметь постоянную температуру. Эта температура не должна быть ниже температуры колонки, так как может проис­ходить конденсация пара в детекторе.

Если мост в начале работы сбалансирован сопротивлением R₅ при продувании через обе ячейки газа-носителя, а затем к газу-носителю, выходящему из хроматографической колонки, подмеши­вают какой-либо компонент, имеющий другую теплопроводность, то в мостовой схеме возникает разность потенциалов между клем­мами A и B, обусловленная различием сопротивлений нагрева­тельных элементов в сравнительной и измерительной ячейках. Эта разность потенциалов записывается самопишущим потенцио­метром.

Важнейшими характеристиками катарометра являются ста­бильность нулевого показания (когда через обе ячейки катаро­метра проходит чистый газ-носитель), чувствительность его по отношению к различным компонентам и инерционность.

При использовании газа-носителя с высокой теплопроводностью (водород, гелий) резко повышается чувствительность детектора к анализируемым веществам. Тепло­проводность газа тем больше, чем меньше молекула газа.