Глава 5 хроматографические методы анализа

Хроматография - метод разделения смесей газов, жидкостей, растворенных веществ путем сорбции в динамических условиях. В простейшем варианте разделение происходит при прохождении потока анализируемой смеси через колонку, содержащую сорбент. Вследствие различной сорбируемости компонентов смеси достигается их разделение по высоте сорбента при повторяющихся циклах сорбция-десорбция.

Классификация хроматографических методов. Известно несколько подходов к классификации методов хроматографии с использованием различных признаков:

• по средам, в которых проводится разделение (жидкостная, газожидкостная, газовая);

• по механизму разделения (молекулярная или адсорбционная, ионообменная, осадочная, комплексообразовательная, окислительно-восстановительная);

• по форме проведения процесса (колоночная, капиллярная, хроматография на бумаге и в тонком слое);

• по способу проведения процесса (фронтальная, вытеснительная, проявительная).

В табл. 5.1 хроматографические методы классифицированы по подвижным и неподвижным фазам, форме проведения процесса и механизму разделения.

Каждый хроматографический метод по мере развития сопровождался возникновением новых вариантов. Например, адсорбционная и распределительная хроматография осуществляются на колонках, фильтровальной бумаге, в тонком слое сорбента, нанесенном на стеклянную пластинку; колонки могут иметь различную форму и конструкцию. В зависимости от этих факторов различают следующие варианты: колоночная, хроматография на бумаге, хроматография в тонком слое.

Таблица 5.1

Классификация хроматографических методов

Методы хроматографии	Подвижная фаза	Неподвижная фаза	Форма проведения	Механизм разделения
Газоадсорбционная	газ	твердая	колонка	адсорбционный
Газожидкостная	газ	жидкость	колонка	распределительный
твердожидкостная	жидкость	твердая	колонка	адсорбционный
жидкостно-жидкостная	жидкость	жидкость	колонка	распределительный
ионообменная	жидкость	твердая	колонка	ионный обмен
Гель-хроматография	жидкость	жидкость	колонка	по размерам молекул
Хроматография в тонком слое	жидкость	твердая	тонкий слой	адсорбционный
Хроматография в тонком слое	жидкость	жидкость	тонкий слой	распределительный
Хроматография на бумаге	жидкость	жидкость	бумага	распределительный

5.1. Хроматографические параметры

В зависимости от контекста под хроматографией понимается наука, процесс или метод.

К основным хроматографическим параметрам относят нижеперечисленные понятия.

Хроматография – наука о межмолекулярных взаимодействиях и переносе молекул или частиц в системе несмешивающихся и движущихся относительно друг друга фаз.

Хроматография – процесс дифференцированного многократного перераспределения веществ или частиц между несмешивающимися и движущимися относительно друг друга фазами, приводящий к обособлению концентрационных зон индивидуальных компонентов исходных смесей этих веществ или частиц.

Хроматография – метод разделения смесей веществ или частиц, основанный на различии в скоростях их перемещения в системе несмешивающихся и движущихся относительно друг друга фаз.

Аналит – определяемый компонент пробы, в случае аналитической жидкостной хроматографии – это определяемый сорбат.

Аналитическая хроматография - хроматография, используемая для качественного анализа смеси и (или) количественного определения отдельных компонентов смеси.

Время удерживания вещества, T_R – время пребывания исследуемого вещества в хроматографе.

Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) – колоночная хроматография, в которой применяют сорбенты с размером частиц 3 - 10 мкм, в результате чего резко возрастает эффективность хроматографического разделения.

Мертвый объем, V_м – объем подвижной фазы ПФ между точкой ввода пробы и точкой ее обнаружения. Мертвый объем включает в себя свободный объем колонки, объемы устройства ввода пробы (дозатора), детектора, а также объемы коммуникаций между ними.

Модификатор – растворитель, входящий в состав ПФ, который для выбранного варианта жидкостной хроматографии обладает большей элюирующей силой, чем базовый растворитель (разбавитель).

Колонка – трубка, наполненная сорбентом, в объеме которого осуществляется хроматографическое разделение смеси веществ.

Константа распределения вещества, К_с – отношение объемных концентраций вещества (или определенной его формы) в неподвижной и подвижной фазах в условиях равновесия.

Коэффициент асимметрии A_s – отношение двух отрезков, образуемых на горизонтальной линии, проведенной на высоте 10 % от основания пика, при ее пересечении с вертикалью, опущенной из вершины пика. При этом берется отношение «тыльного» отрезка к «фронтальному» (рис. 5.1).

A_S=A/B (5.1)

Неподвижная фаза (НФ) – твердый сорбент, на котором осуществляется дифференцированное удерживание и разделение компонентов смеси.

Нормально-фазовая хроматография (НФХ) – жидкостная хроматография, в которой неподвижная фаза более полярна, чем подвижная.

Обращенно-фазовая хроматография – жидкостная хроматография, в которой неподвижная фаза менее полярна, чем подвижная. Это вариант распределительной жидкостной хроматографии, в котором используют сорбенты с привитыми неполярными группами и полярные ПФ.

Объем удерживания вещества, V_R – объем ПФ, затрачиваемой на элюирование пробы вещества. V_R определяют между точкой ввода пробы и точкой, при которой регистрируется максимум сигнала детектора.

Подвижная фаза (ПФ) - поток жидкости, перемещающий компоненты разделяемой смеси вдоль неподвижной фазы. Этим термином обозначают так же одно- и многокомпонентные растворители, применяемые для создания потока жидкости.

Разрешение пиков, R_s – расстояние между максимумами выбранных соседних пиков, деленное на полусумму их ширин у основания (выраженных в одних и тех же единицах измерения)

R_s=2(t_R2-t_R1)/(W_b1+W_b2) (5.2)

Разбавитель – базовый растворитель для выбранного варианта ЖХ, обладающий минимальной элюирующей силой среди компонентов, входящих в состав ПФ.

Свободный объем, V_o – часть объема колонки, не занятая сорбентом.

Селективность хроматографической системы – избирательность, способность к специфическим взаимодействиям подвижной и неподвижной фазы с молекулами сорбата, обладающими определенными структурными признаками, приводящая к разной скорости перемещения концентрационных зон индивидуальных компонентов.

Сорбат – вещество, удерживаемое сорбентом, компонент хроматографически разделяемой смеси.

Сорбент – твёрдое вещество, жидкость или их смеси, способные поглощать или удерживать растворенные вещества и используемые в хроматографии в качестве неподвижной фазы.

Хроматограмма – записанная во времени функция концентрации определяемых веществ в ПФ на выходе из колонки.

Хроматограмма – наглядное изображение результатов разделения компонентов исходной смеси в планарной хроматографической системе (в тонком слое сорбента, на бумаге и т.д.).

Хроматографическая система – совокупность несмешивающихся и движущихся относительно друг друга фаз с развитой межфазной границей (поверхностью). По нашему мнению, в хроматографическую систему следуют включить и сорбат, так как при его отсутствии нет хроматографического процесса.

Хроматографический тракт – путь, по которому происходит перемещение ПФ от резервуара для элюента, через насос, дозатор, предколонку, колонку, детектор и приемник элюата, соединенных друг с другом посредством фитингов и капилляров.

Фактор удерживания (коэффициент емкости), k – безразмерная величина, характеризующая удерживание вещества и равная отношению чистого объема удерживания к свободному объему колонки

k = V_N/V_o. (5.3)

Фактор удерживания k можно определить как частное от деления массы вещества в НФ на массу вещества в ПФ

k= m_НФ/m_ПФ (5.4)

Величина k связана с коэффициентом распределения К в данной системе (отношение концентраций сорбата в НФ к его концентрации в ПФ) и свободной энергией сорбции ΔG

k =Kβ = βe^-(ΔG/RT) , (5.5)

где β – фазовое отношение колонки.

Элюент – жидкость, используемая в качестве подвижной фазы.

Элюирующая сила (способность) – свойство подвижной фазы вступать в такие межмолекулярные взаимодействия с компонентами хроматографической системы, которые способствуют десорбции хроматографируемых соединений, более быстрому перемещению концентрационных зон индивидуальных компонентов исходных смесей.

Р ис. 5.1. Основные хроматографические параметры:

t_M – время удерживания несорбируемого соединения; t_R1 и t_R2 – абсолютные времена удерживания компонентов 1 и 2, t_W1 и t_W2 – ширина пика у основания, выраженная в единицах времени; а и В – отрезки, образуемые на горизонтальной линии, проведенной на высоте 10 % от основания пика,

при ее пересечении с вертикалью, опущенной из вершины пика

Элюотропный ряд – серия чистых или смешанных растворителей, приведенных в порядке возрастания их элюирующей способности в выбранной хроматографической системе.