Раздел 1. Газовая хроматография Общее понятие хроматографии

Абсолютное большинство веществ живой и неживой природы и синтетических веществ, используемых в производстве самых разнообразных продуктов питания и непродовольственных товаров, представляют собой не индивидуальные химические соединения, а сложные многокомпонентные смеси веществ. В процессе получения готовой продукции чаще всего состав исходного сырья изменяется: в результате технологических воздействий некоторые компоненты частично или полностью исчезают, появляются новые вещества.

Должное качество продукции достигается, как правило, при достаточно строгом компонентном составе получаемой продукции. К сожалению, большинство современных физических и физико-химических методов анализа, используемых для контроля компонентного состава вещества, дает аддитивную величину измеряемого аналитического сигнала, которая слагается из его величин, образуемых отдельными компонентами смеси, зачастую имеющими различную химическую природу и различное влияние на качество продукции. Это ограничивает использование таких методов для строгого контроля компонентного состава продукции и приводит к необходимости использовать те или иные методы разделения смесей веществ.

Особенно большие трудности возникают, если все компоненты разделяемой смеси образуют одну фазу. В этом случае необходимо или изменять агрегатное состояние части компонентов смеси, или добиваться изменения фазового равновесия или кинетики процесса разделения. Например, в таких методах разделения, как экстракция и ректификация, вещества, входящие в смесь, переходят через границу раздела фаз в обоих направлениях, стремясь к установлению равновесия. Эффективность разделения значительно повышается, если процесс перехода вещества из одной фазы в другую с установлением равновесия многократно повторяется.

Еще более эффективно смеси веществ разделяются, если разделение смеси производить так, чтобы одна из фаз была подвижной и перемещалась отностельно другой – неподвижной. В этом случае, как и при установлении фазового равновесия, молекулы веществ, входящих в смесь, на выходе из неподвижной фазы возвращаются в нее, однако вследствие движения подвижной фазы попадают не в прежний участок объема неподвижной фазы, а в новый, ближайший по направлению движения подвижной фазы, объем. Многократное повторение элементарных актов фазовых переходов, большая поверхность раздела фаз и относительно малая толщина взаимодействующих слоев фаз обеспечивает высокую эффективность разделения многокомпонентных смесей веществ, часто обладающих близкими свойствами.

Эти условия в большей мере выполняются в методе разделения смеси веществ, получившего название хроматографического и в настоящее время широко используемого на практике не только в качестве метода разделения, но и метода анализа сложных многокомпонентных смесей веществ.

Основы хроматографического метода были сформулированы в 1903 г. ботаником М. Цветом. Разработанный метод предназначалcя для разделения окрашенных биохимических объектов. Первые опыты по хроматографии, проведенные М. Цветом на смесях растительных пигментов  хлорофиллинов и ксантофиллинов, состояли в использовании стеклянных колонок, заполненных мелом. При вымывании пигментов петролейным эфиром они перемещались вдоль колонки, разделяясь при этом на кольца разного цвета. Результаты этих экспериментов были опубликованы М. Цветом в статье «О новой категории адсорбционных явлений и о применении их к биохимическому анализу».

Характеризуя принципы предложенного им метода, М. Цвет писал: «При фильтрации смешанного раствора через столб адсорбента пигменты расслаиваются в виде отдельных различно окрашенных зон. Подобно световым лучам в спектре, различные компоненты сложного пигмента закономерно распределяются друг за другом в столбе адсорбента и становятся доступными качественному определению. Такой расцвеченный препарат я назвал хроматограммой, а соответствующий метод анализа  хроматографическим методом».

В этой формулировке М. Цвет дал достаточно четкое определение адсорбционной хроматографии, основанной на различии компонентов анализируемой смеси по сродству к выбранному адсорбенту. Он высказал идею о возможности применения для хроматографического разделения смеси веществ различий и в других свойствах компонентов, в частности в растворимости труднорастворимых осадков. Однако предложенный М. Цветом метод его современниками не был оценен и длительное время не находил использования.

О днако любые варианты хроматографии, как бы далеки друг от друга они не были по внешним признакам, основываются на одном общем принципе, состоящем в распределении компонентов разделяемой смеси между двумя фазами, одна из которых неподвижна и имеет развитую поверхность, а вторая – подвижная – представляет собой поток, проходящий через слой неподвижной фазы (рис. 1.1).

Неподвижной (стационарной) фазой служит твердое вещество (сорбент), пленка жидкости, нанесенная на твердое вещество (носитель), гелеобразное вещество, вещество, способное к реакциям ионного обмена или обмена другого типа. Подвижная фаза представляет собой жидкость или газ, протекающий через неподвижную фазу.

Подвижная фаза (газ-носитель или жидкость) непрерывно пропускается через неподвижную фазу (колонка, сорбент и.т.д.). В этот поток дозирующим устройством вводится импульсно анализируемая смесь, которая должна быть газообразной или испаряться в дозаторе в случае газовой хроматографии, или растворяться в подвижной фазе в случае жидкостной.

В процессе хроматографирования вещества, которые входят в анализируемую смесь и помещаются в большинстве случаев в заполненную неподвижной (стационарной) фазой стеклянную, металлическую или пластиковую трубку, называемую хроматографической колонкой, подвергаются одновременному воздействию двух факторов: поток подвижной фазы перемещает их по колонке, а неподвижная фаза тормозит это движение. Торможение (удерживание) каждого компонента различное и пропорционально силе его взаимодействия с неподвижной фазой. В результате этого входящие в анализируемую пробу индивидуальные вещества, слабее взаимодействующие с неподвижной фазой, перемещаются по колонке быстрее, чем более сильно взаимодействующие вещества, и в конечном итоге при подборе оптимальных условий разделения каждый компонент анализируемой смеси концентрируется в колонке в чистом виде, отдельно от других компонентов, перемещается и выходит из колонки отдельно.

С помощью хроматографии могут быть решены следующие задачи:

1) разделены сложные смеси веществ на отдельные компоненты;

2) установлена идентичность и однородность химических соединений;

3) определен количественный состав сложных смесей или количественное содержание отдельных компонентов;

4) установлена молекулярная структура соединений.

В отличие от других методов, основанных на распределении компонентов между фазами, таких как экстракция и сорбция, хроматография  это динамический процесс, состоящий из многократных актов сорбции-десорбции компонентов, так как он происходит в потоке подвижной фазы. Такой динамический характер обеспечивает достижение значительно более высокой эффективности хроматографии по сравнению с сорбцией и экстракцией в статических условиях.