Введение

Хроматография является одним из основных методов определения количественного и качественного состава веществ, при проведении экологического мониторинга, а также при выполнении исследований в различных областях науки и техники. Это определяет актуальность разработки аппаратных и программных средств автоматизации промышленной хроматографии.

Метод хроматографии впервые был использован русским учёным М.С. Цветом в 1903 г. для разделения компонентов, входящих в состав растительных пигментов. Однако как метод анализа хроматография стала известна только после 1950 г., когда было показано, что она является не только методом разделения, но и позволяет проводить качественный и количественный анализ разделяемых веществ на основе их различного поведения в хроматографической колонке – трубке с определённым сорбентом. Процесс разделения основан на различии в равновесном распределении определяемого вещества (веществ) между двумя несмешивающимися фазами, одна из которых неподвижна, а другая подвижна. Неподвижная, ли стационарная фаза представляет собой высокодисперсное твердое вещество с большой поверхностью или жидкость, нанесенную на твердый носитель.

Рассмотрим общий принцип хроматографического разделения на примере колоночной хроматографии. Хроматографическое разделение основано на том, что отдельные компоненты образца перемещаются по колонке со стационарной фазой с разной скоростью, а следовательно за одинаковое время проходят разные отрезки пути. Если подвижная фаза представляет собой жидкость, то она называется элюентом, а процесс перемещения вещества вместе с элюентом – элюированием. Элюирование производят до тех пор, пока компоненты образца не выйдут один за другим из колонки. На выходе из колонки устанавливают детектор, который фиксирует последовательно выходящие вещества. При этом на регистрирующем устройстве получают кривую, называемую хроматограммой. Каждый пик соответствует определенному веществу. Высота пика соответствует максимальной скорости выхода вещества из колонки. Площадь пика характеризует относительное содержание компонента.

Рис.1. Хроматограмма четырехкомпонентной смеси.

1.Классификация хроматографических методов

Под общим названием хроматография объединены методы разделения веществ пробы на отдельные компоненты, в основе которых лежит процесс распределения этих компонентов между неподвижной (стационарной) и подвижной фазами, перемещающимися друг относительно друга. В зависимости от строения разделяемые компоненты в различной степени удерживаются той и другой фазами и вследствие этого могут быть отделены друг от друга.

Под действием диффузии и других физико-химических механизмов молекулы разделяемых веществ пересекают поверхность раздела обеих фаз. Этот процесс можно охарактеризовать как элементарный акт взаимодействия анализируемого вещества (сорбата) с неподвижной фазой (сорбентом). Данный акт взаимодействия осуществляется мно­гократно, причем каждый раз достигается некоторый эффект разделе­ния. Чем эффективнее такой элементарный акт и чем чаще он повторя­ется, тем выше эффект разделения, или, иными словами, выше разре­шающая способность процесса. При продвижении компонентов иссле­дуемой смеси в разделяющей среде такой процесс межфа­зового перехода можно описать как многократное повторение актов сорбции и десорбции. По завершении процесса компоненты удержива­ются той или иной фазой в зависимости от своих свойств.

В основу классификации вариантов хроматографии могут быть положены различные критерии:

• агрегатное состояние фаз;

• природа элементарного (единичного) акта взаимодействия;

• аппаратурное оформление процесса;

• способ относительного перемещения фаз;

• конечная цель процесса.

Рассмотрим каждый из перечисленных вариантов более подробно.

1.1. Агрегатное состояние фаз. Обычно данный критерий является основным, так как природа элементарных актов сорбции-десорбции на твердой и жидкой фазах принципиально различна. В зависимости от агрегатного состояния подвижной фазы различают жидкостную и газовую хроматографию.

В жидкостной хроматографии в качестве подвижной фазы используется элюент (растворитель), а роль неподвижной фазы обычно играет сорбент (твердая фаза, тогда хроматография будет называться ЖТХ, или ЖАХ), или жидкость, нанесенная на твердый носитель (вариант хроматографии будет называться ЖЖХ). Про­цесс разделения в значительной степени определяется составом подвижной фазы, в качестве которой используется множество веществ, при этом для каж­дого случая необходимо подбирать подходящую систему разделения.

В газовой хроматографии в качестве подвижной фазы выступает газ (газ-носитель), а в основе лежат процессы распределения между фазами и адсорбции, по­этому газовая хроматография делится на адсорбционную (неподвижная фаза — твердое вещество, вариант хроматографии ГТХ, или ГАХ) и жидкостную (неподвижная фаза — жидкость ГЖХ). Свойства газа-носителя имеют второ­степенное значение для процесса разделения, он служит только для перемещения разделяемой смеси.

1.2. Природа элементарного (единичного) акта взаимодействия. Известно несколько вариантов единичного акта взаимодействия иссле­дуемой среды с веществами неподвижной и подвижной фаз. Рассмотрим некоторые из них.

А. Адсорбция разделяемых веществ на поверхности адсорбента. При использовании твердой неподвижной фазы жидкие и газообразные пробы разделяются на основе отличий в адсорбционном сродстве их компонен­тов с веществом неподвижной фазы — классический вариант хроматографии. Адсорб­ция может быть обусловлена либо физическими ван-дер-ваальсовыми силами межмолекулярного взаимодействия, либо химическими связя­ми (в процессе реакции при обмене ионов разделяемых компонентов на ионы адсорбента). В последнем случае взаимодействуют ионы неподвижной фазы и раствора. Разделение смеси ионов в растворе основано на степени их сродства к твердой фазе, в качестве которой выступает вещество — ионообменник, способное обмениваться ионами с жидкой пробой.

Явление адсорбции лежит в основе адсорбционной хроматографии, причем в первом варианте она реализуется как молекулярная адсорбционная хроматография, а во втором — как ионообменная ад­сорбционная хроматография.

Б. Различия в растворимости веществ. Этот вариант реализуется при использовании жидкой неподвижной фазы. Элементарный акт взаимодействия, как правило, является актом растворения (абсорбции) компонентов пробы в растворителе (жидкая фаза) и распределении их между подвижной и неподвижной фазами (распределительная хроматография). Разделение пробы на компоненты основано на различии коэффициентов распределения Dc веществ либо между жидкими неподвижной и подвижной фазами, либо между жидкой и газо­образной фазами.

Чем ниже Dc, тем быстрее вещество движется вниз по колонке. Даже при небольшом различии в Dc двух веществ они постепенно разделяются и полосы их перекрываются все меньше по мере перемещения по колонке.

Если в качестве неподвижной фазы используется специальный гель с определенными размерами пор, а разделение пробы основано на раз­личной степени проникновения молекул веществ в поры геля, то этот вариант определяется как гель-хроматография.

В. Водородная связь или химическое сродство компонентов веще­ства пробы с материалом неподвижной фазы. Разделение происходит за счет хи­мического взаимодействия с образованием плохо растворимого осадка (хемосорбционная, или осадочная. Широкого приме­нения этот вариант хроматографии не нашел.

Г. Биоспецифическое взаимодействие. В основе сродства лежат су­губо специфичные взаимодействия между компонентами по принципу «ключ-замок». Такой вариант известен под названием аффинная хроматография.

В реальных условиях почти всегда одновременно с основным про­цессом взаимодействия компонентов пробы с неподвижной фазой протекают и другие процессы, которые также вносят свой вклад в механизм разделения. Например, на ионообменниках дополнительно может протекать про­цесс адсорбции на твердой фазе, в распределительной хроматографии наряду с растворением вещества в жидкой неподвижной фазе может наблюдаться адсорбция на поверхности раздела газ-жидкость и т. д. Поэтому при проведении разделения надо стремиться к тому, чтобы действие побочных процес­сов было сведено к минимуму.

1.3. Аппаратурное оформление процесса. По способу размещения неподвижной фазы различают колоночную, капиллярную, тонкослойную хроматогра­фию и хроматографию в полях сил. Способ размещения неподвижной фазы в значи­тельной степени определяет конструкцию хроматографа — прибора в котором протекает процесс разделения пробы. Результатом выполне­ния исследования является хроматограмма — графическая запись, от­ражающая информацию о выделенных компонентах.

1.4. Способ относительного перемещения фаз. В зависимости от характера перемещения сорбирующихся веществ вдоль слоя сорбента различают проявителъный (элюентный), фронтальный и вытеснительный варианты хроматографического процесса. Их схематические изо­бражения и хроматограммы представлены на рис.1. По оси ординат на графиках отложено свойство выходного потока, зависящее от его состава (например, концентрация компонента), по оси абсцисс — вре­мя разделения.

Рис.2. Виды хроматографических методов: а – проявительный; б - фронтальный; в – вытеснительный.

Различия в этих способах лучше всего проиллюстрировать на при­мере колоночной хроматографии, где неподвижная фаза (сорбент) обычно размеща­ется внутри вертикально расположенного цилиндрического сосуда — колонки. Для этого случая чаще всего применяют проявительный ме­тод, сущность которого состоит в следующем.

Заполненную сорбентом колонку промывают чистой жидкой или газообразной подвижной фазой, сорбционная способность которой заведомо хуже любого из определяемых веществ. Не прекращая пото­ка подвижной фазы, в верхнюю часть колонки через дополнительный патрубок вводят порцию пробы (жидкость или газ), состоящую из компо­нентов А, В и С. Попав на слой сорбента, эти вещества сорбируются (вступают в процесс взаимодействия с неподвижной фазой), а затем начинают перемещать­ся вдоль слоя сорбента в направлении движения подвижной фазы. Если вещества А, В и С обладают различным сродством к неподвижной фазе, то их скорость пере­мещения вдоль колонки будет разной: компонент А сорбируется сла­бее, поэтому передвигается быстрее и постепенно уходит вперед. Если длина колонки достаточна, то зона А оторвется от зоны В и выйдет из колонки первой, причем в промежутке между ними будет находиться чистый растворитель (элюент) (рис.1, а). Таким об­разом, в данном случае компоненты пробы мигрируют независимо друг от друга со скоростью, соответствующей их сродству к сорбен­ту. Достоинством данного способа является возможность практиче­ски полного разделения смеси, а недостатком — значительное разбавление компонентов веществом растворителя, что снижает их кон­центрации на выходе из колонки. При этом число пиков на хроматограмме равно числу компонентов пробы.

Для того же способа размещения фаз существует и фронтальный вариант относительного перемещения фаз, который состоит в сле­дующем. Заполненную колонку промывают растворителем (жидкость или газ), в котором содержатся исследуемые компоненты, причем у А сродство к сорбенту ниже, чем у В, а у В — ниже, чем у С. Анализи­руемую пробу, которая служит одновременно и подвижной фазой, непрерывно пропускают через слой сорбента. Поступающие в верхний слой ком­поненты постепенно вытесняют из колонки растворитель, причем фронт движущейся смеси состоит из наименее сорбирующегося ве­щества А, за которым идет смесь (А + В), а затем — смесь (А + В + С) (рис.1, б). Таким образом, из колонки вначале вы­ходят порции наименее сорбирующегося вещества, а в самом кон­це — зона, состав которой соответствует составу исходной пробы. Число ступенек на хроматограмме равно количеству компонентов пробы. Метод позволяет выделить из смеси только одно, наибо­лее слабо сорбирующееся вещество, и применяется в специальных случаях (препаративные задачи).

­ Вытеснительный вариант (рис.1, в) можно рассматривать как особый случай проявительного. Он основан на том, что десорб­цию компонентов пробы осуществляют потоком раствора, содержа­щего специальное вещество — вытеснитель, которое сорбируется лучше любого из разделяемых компонентов. Заполненную сорбен­том колонку предварительно промывают подвижной фазой и вводят порцию ­пробы. Затем через колонку пропускают поток подвижной фазы, содержащий вы­теснитель, который последовательно вытесняет из неподвижной фазы компоненты в порядке убывания степени их сорбирования: самый сильно сорби­рующийся компонент вытесняет менее сорбирующийся, тот — сле­дующий и т. д.

Таким образом, компоненты пробы перемещаются вдоль колон­ки впереди фронта зоны вытеснителя в порядке увеличения их сорбционных свойств. На хроматограмме также получается ступенчатая кри­вая, но каждая ступенька соответствует только одному компоненту. В результате каждый компонент не отделяется зоной чистого раствори­теля (зоны частично перекрываются). Данный метод на практике при­годен только для разделения очень сильно сорбирующихся веществ, однако он значительно экономнее проявительного при решении препа­ративных задач, так как проба не разбавляется растворителем, и емкость сорбента используется очень эффективно.

1.5. Конечная цель процесса. Хроматографию можно рассматривать как гибридный метод, в котором сочетаются разделение и из­мерение. В связи с этим сам хроматографический процесс может ис­пользоваться либо в технологических задачах, связанных с получением материальных продуктов (препаративное применение хроматографии), либо для получения информации о качественном и количественном составе и физико-химических свойствах исследуемых объектов (аналитическое применение хроматографии). В последнем случае хроматография может приме­няться в сочетании с другими физико-химическими методами.

Все отмеченные критерии классификации методов хроматографии являются независимыми, поэтому при обозначении конкретного мето­да они должны быть оговорены отдельно. Однако на практике исполь­зуют более простую систему классификации, в основе которой лежит учет только агрегатного состояния фаз и природы элементарного акта взаимодействия. При необходимости обозначение конкретного метода дополняется описанием способов аппаратурного оформления процесса и относительного перемещения фаз. Отдельно может оговариваться назначение метода.