Тема 4. Хроматографічні методи дослідження товарів

Хроматографія, обов'язково включає процес розділення сумішей речовин в динамічному режимі, охоплює не тільки досить великий розділ аналітичної хімії, але і лежить в основі ряду технологічних процесів. У зв'язку з цим, хроматографія включає два основних напрямки: інформаційне та технологічне. Перше забезпечує інформацію про якісний і кількісний склад і фізико-хімічні властивості досліджуваних об'єктів, друге - отримання матеріальних продуктів.

Як спосіб аналізу хроматографія є частиною тієї групи методів, яка через складність досліджуваних об'єктів включає попереднє розділення вихідної складної суміші на відносно прості, наприклад, дистиляцією, зонної плавкою, екстракцією, дифузією або комбінацією цих методів. Серед них хроматографічні методи володіють найбільш ефективними розділовими можливостями за рахунок використання великої кількості типів міжмолекулярних взаємодій. Стадія поділу в хроматографічної колонці або шарі сорбенту забезпечує отримання відносно простих сумішей, аналізованих потім звичайними хімічними, фізико-хімічними або фізичним методами аналізу або спеціально створеними для хроматографії методами або прийомами.

Класифікація за метою проведення хроматографічного процесу Найбільше значення хроматографія має як метод кількісного та якісного аналізу сумішей речовин.

Вона може застосовуватися як самостійний метод розділення та аналізу, а також разом з іншими фізичними та фізико-хімічними методами аналізу.

Перетворення аналізованих речовин у більш прості за допомогою хімічних реакцій з метою спрощення складу в одній системі з хроматографічним процесом отримало назву аналітичної реакційної хроматографії. Цей метод має особливості, які відрізняють його від аналітичної та препаративної хроматографії, тому він розглядається як самостійний варіант хроматографії.

У препаративній хроматографії розділення суміші сполук проводиться з метою отримання більш або менш значної кількості сполук у чистому вигляді. У цьому випадку найбільш важливою є продуктивність процесу та чистота отриманого продукту. На сьогодні препаративна хроматографія розглядається як окремий варіант методу. Суттєвою рисою препаративної хроматографії є можливість виконання неперервного розділення суміші та відбору потрібного продукту.

Хроматографія, особливо газова, усе ширше застосовується як метод наукового дослідження - неаналітична хроматографія. Її використовують для вивчення властивостей систем, наприклад розчинів, кінетики хімічних процесів, властивостей каталізаторів та адсорбентів.

Хроматографічний метод може застосовуватися для автоматичного керування процесом. У цьому випадку прилад, що фіксує на виході з хроматографічної колонки вміст у суміші якого-небудь з компонентів, пов’язаний з елементами, які виконують керування процесом. Зміна вмісту контрольованого компонента в той або інший бік сприймається системою як сигнал до зміни умов проходження процесу.

Таким чином, можна стверджувти, що хроматографія є універсальний метод аналізу сумішей речовин, отримання речовин у чистому вигляді, а також метод дослідження деяких властивостей систем.

Тонкошарова хроматографія (ТШХ, TLC) - один з найбільш використовуваних методів хроматографічного аналізу, але найменш популяризують.

Незважаючи на існуючі до недавнього часу істотні недоліки, вона широко використовується для якісного аналізу сумішей, в основному, за рахунок дешевизни і швидкості отримання результатів.

Різноманітні варіанти хроматографії укладаються у відносно просту схему класифікації залежно від використовуваної рухомої фази і характеру міжмолекулярних взаємодій. Оскільки характер взаємодій може бути дуже різним - від суто ситового ефекту до фізичної сорбції і далі до хемосорбції, то майже не існує об'єктів, для поділу яких не вдавалося б знайти відповідного сорбенту та систем розчинників.

В області молекулярного аналізу органічних сполук хроматографія переважає над іншими методами поділу, не замінюючи їх. Слід мати на увазі, що в аналітичній практиці переважає використання варіанту проявочної хроматографії, коли рухома фаза подається в хроматографічне пристрій безперервно, а колективна проба - періодично.

При всьому розмаїтті варіантів хроматографії практично завжди реалізується загальна схема процесу. Рухома фаза (газ-носій або рідина) безупинно пропускається через шар гранульованого сорбенту, засипаного в колонку.

У цей потік дозуючим пристроєм вводиться імпульсно аналізована суміш, яка повинна бути газоподібним чи випаровуватися в дозаторі в разі газової хроматографії, чи розчинятися в рухливій фазі у випадку рідинної. Переміщаючись потоком рухомої фази по колонці, аналізована суміш розділяється на складові її компоненти: компоненти, сорбують гірше на даному сорбенті, рухаються швидше і вимиваються з колонки раніше, ніж сорбуючі краще.

Розташований після колонки детектор фіксує наявність в потоці компонентів; його сигнал, зазвичай пропорційний концентрації або кількості компонента, записується на самопишущим потенціометрі (реєстратора) у вигляді хроматограми - графіка залежності концентрації (кількості від часу). Хроматограмма при повному розділенні компонентів складається з системи колоколобразних кривих, називаних піками: кожен пік відноситься до одного чи декількох компонентів і відповідає зростанню, а потім зниження концентрації в потоці рухомої фази.

Крім колоночной, є різні варіанти так званої планарной хроматографії, при яких шар сорбенту створюється не в колонці, а на плоскій поверхні, наприклад, як в тонкошарової або паперової хроматографії.

Область використання газової хроматографії - сполуки з молекулярною масою близько до 500, які складають - 5% від загального числа відомих сполук. З'єднання з великою молекулярною масою - сфера докладання рідинної хроматографії - складають 95% всіх відомих хімічних речовин. Разом з тим не слід забувати, що згадані 5% більше простих речовин - об'єктів газової хроматографії сьогодні та і в майбутньому, - складають 70 - 80% сполук, які використовує людина в сфері виробництва і побуту. Той метод хороший, який дозволяє вирішити ту чи іншу задачу з потрібною точністю і достовірністю, експресних і мінімальними витратами.

Основою тонкошарової хроматографії є адсорбційний метод, хоча також зустрічається метод розподільної хроматографії. Адсорбційний метод заснований на відмінності ступеня сорбції-десорбції поділюваних компонентів на нерухомій фазі. Адсорбція здійснюється за рахунок ван-дер-ваальсовскіх сил, що є основою фізичної адсорбції, полімолекулярних (утворення декількох шарів адсорбата на поверхні адсорбенту) і хемосорбції (хімічної взаємодії адсорбенту та адсорбату).

Для ефективних процесів сорбції-десорбції необхідна велика площа, що висуває певні вимоги до адсорбенту. При великій поверхні поділу фаз відбувається швидке встановлення рівноваги між фазами компонентів суміші і ефективне розділення.

Так фізичне вираження адсорбції-десорбції в спрощеному вигляді можна виразити рівнянням

Г = (Г ~ / К) с.

де Г ~ - гранично можлива величина адсорбції;

К - константа рівноваги;

С - концентрація абсорбата.

У більш строгих підходах до теорії адсорбції необхідно враховувати взаємодію між адсорбованими частинками, неоднорідність поверхні, тиск, температуру і т.д.

Але як видно з вищенаведеного рівняння адсорбція є лінійною функцією концентрації.

Ще одним видом використовуваному в методі тонкошарової хроматографії є розподільна рідинна хроматографія.

У розподільній хроматографії обидві фази - рухома і нерухома рідини, не змішуються один з одним. Поділ речовин ґрунтується на відмінності в їх коефіцієнтах розподілу між цими фазами.

Газова хроматографія - різновид хроматографії, метод поділу летючих компонентів, при якому рухомою фазою служить інертний газ (газ-носій), що протікає через нерухому фазу з великою поверхнею. В якості рухомої фази використовують водень, гелій, азот, аргон, вуглекислий газ. Газ-носій не реагує з нерухомою фазою і поділюваними речовинами.

Розрізняють газо-твердофазного і газо-рідинну хроматографію. У першому випадку нерухомою фазою є твердий носій (силікагель, вугілля, оксид алюмінію), у другому - рідина, нанесена на поверхню інертного носія.

Розділення засновано на відмінностях в летючості і розчинності (або адсорбируемого) компонентів суміші, що розділяється.

Цей метод можна використовувати для аналізу газоподібних, рідких і твердих речовин з молекулярною масою менше 400, які повинні відповідати певним вимогам, головні з яких летючість, термостабільність, інертність, легкість отримання. Цим вимогам в повній мірі задовольняють, як правило, органічні речовини, тому газову хроматографію широко використовують як серійний метод аналізу органічних сполук.

Джерело газу-носія

Найчастіше це - балон із стиснутим або зрідженим газом, який зазвичай знаходиться під великим тиском (до 150 атмосфер). Найчастіше при хроматографії використовують гелій, рідше азот, ще рідше водень та інші гази.

Регулятор витрати газу

Призначення цього компонента газового хроматографа - контроль витрати газу в системі, а також підтримка необхідного тиску газу на вході в систему. Зазвичай в якості регулятора витрати газу використовуються редуктор або дросель.

Пристрій введення проби

Призначено для подачі проби аналізованої суміші в хроматографічну колонку.

У тому випадку, якщо хроматограф призначений для аналізу рідких проб, пристрій введення проб поєднується з випарником.

Проба вводиться у випарник за допомогою мікро шприца шляхом проколювання еластичної прокладки. Випарник зазвичай нагрітий до температури, що перевищує температуру самої колонки на 50^оC. Обсяг введеної проби - кілька мікролітрів

Хроматографічні колонки

Під колонкою мається на увазі посудину, довжина якого значно більше діаметра. Для газової хроматографії зазвичай використовують U-образні або спіральні колонки. Внутрішній діаметр колонок 2-15 мм, а довжина 1-20 м. Матеріалом для виготовлення колонок служить скло, нержавіюча сталь, мідь, іноді фторопласт. Останнім часом найбільшого поширення набули капілярні колонки виготовлені з плавленого кварцу, з нанесеною всередині нерухомою фазою. Довжина подібних колонок може досягати сотень і навіть тисяч метрів, хоча частіше використовуються колонки довжиною 30-50 м.

Вкрай важливо щільне наповнення колонок нерухомою фазою, а також забезпечення сталості температури колонки протягом всього процесу хроматографування. Точність підтримки температури повинна становити 0,05-1^оC. Для точного регулювання і підтримки температури використовують термостати.

Детектори призначені для безперервного вимірювання концентрації речовин на виході з хроматографічної колонки. Принцип дії детектора повинен бути заснований на вимірюванні такої властивості аналітичного компоненту, яким не володіє рухома фаза.

У газовій хроматографії використовують наступні види детекторів:

- полум'яно-іонізаційний детектор;

- детектор по теплопровідності (катарометр);

- детектор електронного захоплення;

- полум'яно-фотометричний детектор;

- термоіонний детектор;

- фотоіонізаціонний детектор;

- мас-спектрометр;

- ІЧ-фур'є спектрометрю.

Газо-рідинна хроматографія - розділення газової суміші внаслідок різної розчинності компонентів проби в рідині або різної стабільності комплексів, що утворюються. Нерухомою фазою служить рідина, нанесена на інертний носій, рухомий - газ.

Рідинна хроматографія - це хроматографія, в якій рухомою фазою є рідина. Розділяється на рідинно-адсорбційну (поділ сполук відбувається за рахунок їх різної здатності адсорбуватися і десорбувати з поверхні адсорбенту), рідинно-рідинну, або розподільну (поділ здійснюється за рахунок різної розчинності в рухомий фазі - елюента і нерухомій фазі, фізично сорбированной або хімічно прищепленої до поверхні твердого адсорбенту), іонообмінну хроматографію, де поділ досягається за рахунок оборотного взаємодії аналізованих іонізуючого речовин з іонними групами сорбенту - іоніту. Особливе місце у використанні методів рідинної хроматографії займають ексклюзіонная, або гель-хроматографія і аффинная, або біоспецифічного.

Рідинна хроматографія як метод була відкрита в 1903 російським вченим Михайлом Кольором, який використовував для поділу рослинних пігментів на їх складові колонки, заповнені порошком крейди. Запропонований Кольором метод рідинної хроматографії був незаслужено забутий і майже не застосовувався більше 30 років.

Високоефективна рідинна хроматографія (ВЕРХ, англ. HPLC, High performance liquid chromatography ) - один з ефективних методів розділення складних сумішей речовин, широко вживаний як в аналітичної хімії, так і в хімічної технології. Основою хроматографічного поділу є участь компонентів суміші, у складній системі Вандерваальсових взаємодій (переважно міжмолекулярних) на межі розділу фаз. Як спосіб аналізу, ВЕРХ входить до складу групи методів, яка, зважаючи на складність досліджуваних об'єктів, включає попереднє розділення вихідної складної суміші на відносно прості. Отримані прості суміші аналізуються потім звичайними фізико-хімічними методами або спеціальними методами, створеними для хроматографії.

Принцип рідинної хроматографії полягає в розділенні компонентів суміші, заснованому на відмінності в рівноважному розподілі їх між двома несмешивающимися фазами, одна з яких нерухома, а інша рухома.

Відмінною особливістю ВЕРХ є використання високого тиску (до 400 бар) і дрібнозернистих сорбентів (зазвичай 3-5 мкм, зараз до 1,8 мкм). Це дозволяє розділяти складні суміші речовин швидко і повно (середній час аналізу від 3 до 30 хв).

Метод ВЕРХ знаходить широке застосування в таких областях, як хімія, нафтохімія, біологія, біотехнологія, медицина, харчова промисловість, охорона навколишнього середовища, виробництво лікарських препаратів і в багатьох інших.

По механізму поділу аналізованих або поділюваних речовин ВЕРХ ділиться на адсорбційну, розподільну, іонообмінну, ексклюзіонную, лігандообменную та інші.

Слід мати на увазі, що в практичній роботі поділ часто протікає не по одному, а по декількох механізмів одночасно. Так, ексклюзіонний поділ буває ускладнено адсорбційними ефектами, адсорбційну - розподільними, і навпаки. При цьому чим більше різниця речовин в пробі за ступенем іонізації, основності або кислотності, за молекулярною масою, поляризуємості та іншим параметрам, тим більша ймовірність прояву іншого механізму поділу для таких речовин.