11.3 Хроматографічні методи аналізу

Хроматографія – це фізико-хімічний метод розділення речовин, заснований на використанні сорбційних процесів в динамічних умовах.

Хроматографічні методи застосовують для розділення, аналізу та дослідження властивостей хімічних сполук. Відмінними рисами хроматографічних методів аналізу є: висока ефективність, простота експерименту, селективність, експресність, можливість автоматизації в поєднанні з іншими фізико-хімічними методами. Особлива цінність цих методів полягає в тому, що за допомогою хроматографії можливе розділення сполук з близькими властивостями.

У 1903 р. російський ботанік Цвет М. С. опублікував роботу "Про нову категорію адсорбційних явищ і про застосування їх до біохімічному аналізу", що поклала початок хроматографії.

Сутність методу за Цветом М. С.:

"При фільтрації змішаного розчину через шар адсорбенту пігменти ... розглядаються у вигляді окремих по різному пофарбованих зон. Подібно світловим променям у спектрі різні компоненти складного пігменту закономірно розподіляються один за одним у стовпі адсорбенту і стають доступні якісному визначенню. Такий розфарбований препарат я називаю хроматограмою, а відповідний метод аналізу хроматографічним ... "

Так як Цвет М. С. пропускав досліджуваний розчин через стовп адсорбенту, що знаходиться у скляній трубці, цей метод був названий колоночною хроматографією.

Хроматографія – сучасний і високоефективний метод, який дозволяє швидко і надійно визначати склад окремих компонентів в сумішах, концентрувати і ідентифікувати ці компоненти. Новітніми хроматографічними методами можна визначати газоподібні, рідкі та тверді речовини з молярною масою від одиниць до 106 г/моль.

Сутність хроматографії – речовини, що розділяються переміщуються через шар НФ разом з РФ з різною швидкістю внаслідок різного сорбування. Тобто хроматографічний процес полягає у переміщенні рухомої фази (РФ), яка містить компоненти суміші, що розділюють, відносно нерухомої фази (НФ). РФ може бути рідина (розчин аналізованої суміші речовин) або газ (суміш газів або парів речовин); НФ – тверда речовина або рідина, адсорбована на твердій речовині, яка називається носієм. При русі РФ вздовж нерухомої компоненти суміші сорбуються на НФ. Кожний компонент сорбується у відповідності зі спорідненістю до матеріалу НФ. Тому НФ називають сорбентом. Захоплені сорбентом молекули можуть перейти в РФ і просуватися з нею далі, потім знову можуть сорбуватися. Таким чином, відбувається розподіл молекул кожного компонента між двома фазами. Чим більше спорідненість компонента до НФ, тим сильніше він сорбується і довше затримується на сорбенті, тим повільніше він просувається з РФ.

Так як компоненти суміші володіють різною спорідненістю до сорбенту, при переміщенні суміші вздовж сорбенту відбудеться поділ: одні компоненти затримаються на початку шляху, інші просунуться далі і т.д. Таким чином, в хроматографічному процесі поєднуються термодинамічний (встановлення рівноваги між фазами) і кінетичний (рух компонентів з різною швидкістю) аспекти.

Виділяють: аналітичну хроматографію – якісний і кількісний аналіз; препаративну хроматографію – для одержання речовин в чистому вигляді, для концентрування і виділення мікродомішок; промислову (виробничу) хроматографію – для автоматичного керування процесом (при цьому цільовий продукт з колонки надходить в датчик).

За технікою виконання хроматографічні методи класифікуються на (таблиця 11.2): колоночні (поділ в колонках) і площинні (поділ проводиться на спеціальному папері (паперова хроматографія) або в тонкому шарі сорбенту (тонкошарова хроматографія). Колонкова хроматографія – найбільш поширена.

У якісному аналізі для розділення та виявлення катіонів та аніонів часто використовують площинну хроматографію (паперову та тонкошарову) і йонний обмін у колонках. Паперова і тонкошарова хроматографії відрізняються простотою, експресивністю, наочністю розділення, простотою виявлення хроматографічних зон, можливістю аналізувати невеликі кількості речовин.

При класифікації слід враховувати природу РФ і НФ, механізм взаємодії між фазою і речовинами, що розділяють.

Йонний обмін в колонках використовують для відділення катіонів від аніонів у складних сумішах. Ця операція полегшує визначення як катіонів, так і аніонів, робить аналіз більш надійним, оскільки дозволяє виявляти аніони при відсутності важких металів, а катіони – при відсутності таких аніонів як силікат, борат, фосфат та інших.

Таблиця 11.2 – Класифікація хроматографії

Вид хроматографії	НФ	РФ	Механізм розділення
Газова: газоадсорбційна	тверде тіло	газ	адсорбція
газорідинна	рідинна на носії	газ	розподілення (розчинення)
Рідинна: твердорідинна	тверде тіло	рідина	адсорбція
рідкорідинна	рідинна на носії	рідина	розподілення
йонообмінна	тверде тіло	рідина	обмін йонів
осадова	тверде тіло	рідина	утворення малорозчинних сполук
комплексоутворювальна	рідинна на носії	рідина	утворення комплексних сполук
окисно-відновна	тверда	рідка	реакції окиснення- відновлення

Паперова хроматографія як метод розділення і ідентифікації йонів

Паперова хроматографія – це вид методу розподільної хроматографії, в якому носієм нерухомого розчинника служить очищений від домішок фільтрувальний папір.

Цей метод набув велике значення в дослідженні білків, вуглеводів, жирів, антибіотиків, гормонів, каротиноїдів, алкалоїдів та багатьох інших природних сполук.

Нерухомою фазою зазвичай є вода. Рухомий фазою служить органічний розчинник або суміш органічних рідин і води в різних співвідношеннях. Рухома і нерухома фази не повинні змішуватися.

Для водорозчинних речовин в якості рухомої фази застосовуються органічні розчинники, насичені водою, яка служить нерухомою фазою. Нерозчинні у воді речовини повинні хроматографуватися водними розчинами органічних речовин, а нерухомою фазою є неполярні органічні розчинники.

Рухома фаза просувається уздовж аркуша паперу, головним чином за рахунок капілярних сил.

Для кількісної оцінки рухливості речовини в хроматографічній системі використовують коефіцієнт рухливості R_f, рівний відношенню відстані l, пройденої речовиною, до відстані, пройденої розчинником L: .

R_f можна визначити експериментально: на хроматограмі вимірюють відстань l від лінії старту речовини до центру плями (рисунок11.11) і відстань від лінії старту до лінії фінішу розчинника – L. Величина R_f характеризує становище зони речовини на хроматограмі. Зазвичай коефіцієнт рухливості лежить в межах R_f = 0-1. Оптимальне значення становить 0,3 - 0,7.

Умови хроматографування підбираються так, щоб величина R_f відрізнялася від нуля і одиниці. Для відтворюваності і строго постійних умов хроматографування Rf = const. Розділення речовин практично можливо, якщо R_{f (1)} - R_{f (2)} ≥ 0,1

Н а рухливість речовини в умовах хроматографії на папері впливає не тільки коефіцієнт розподілу (D = Cs/Cm, де Cm і Cs – концентрації речовини в рухомій і нерухомій фазах відповідно), але і взаємодія їх з волокнами паперу, характеристика паперу і умова проведення експерименту.

Рисунок 11.11. – Визначення R_f

Для отримання хроматограми аркуш паперу після нанесення проби поміщають в хроматографічну камеру з рухомою фазою. Розчинник під дією капілярних сил просувається по паперу, розділяючи пробу на окремі компоненти. Залежно від напрямку руху розчинника розрізняють:

• спадаючу паперову хроматографію (потік рухається зверху вниз);

• висхідну паперову хроматографію (потік рухається знизу вгору);

• радіальну паперову хроматографію (рух починається з плями – місця нанесення краплі).

У перших двох випадках компоненти суміші після хроматографування розташовуються у вигляді окремих плям; в останньому випадку – у вигляді концентричних кілець.

Метод паперової хроматографії характеризується високою чутливістю (можна визначити 10-20 мкг речовини з точністю 5-7%).

Недоліками методу є:

• можливість працювати тільки з малими кількостями речовини, так як при великих кількостях її плями на хроматограмі виходять розпливчастими і з розтягнутими «Хвостами»;

• в порівнянні з тонкошарової хроматографією: поділ відбувається повільніше, шар сорбенту нестійкий до агресивних реактивів.