книги из ГПНТБ / Мюллер Г. Специальные методы анализа стабильных изотопов

В качестве примера, иллюстрирующего возможности метода ЭПР при обнаружении магнитных изотопов, можно привести ра­ боту [83], в которой изучалась структура сигнала присутствую­

щих в растворе радикал-ионов N 0 (S 0 3)1—природного изотопного состава. В спектре наблюдались отчетливые компоненты, обус­ ловленные присутствием изотопов 33S, 14N и 15N.

На возможности структурного изотопного анализа в твердых телах методом ЭПР указано, например, в работе [84]. Авторы определяли распределение дейтерия в облученных монокристал­ лах аланина, получаемого в результате H/D-обмена. Точность результатов анализа характеризуется погрешностью ±10%. В ра­ боте [85] для изотопного анализа азота использовался спектр стабильного азотсодержащего радикала 2,2,6,6-тетраметил-М-де- гидропиперидон-4-оксида-1, так как спектр электронного резо­ нанса этого соединения поддается расчету, а при подготовке пробы к анализу не наблюдается изменения ее исходного изо­ топного состава. При содержаниях изотопа 15N от 3 до 28 ат.% надежность результатов анализа была довольно высокой. Однако при концентрации меньше 2 ат.% его количественное определение оказалось невозможным.

Метод ЯМР благодаря большому различию ядерно-магнит- ных свойств изотопов с успехом может применяться для изотоп­ ного анализа. Возможности метода особенно заманчивы, если учесть, что он в принципе позволяет устанавливать распреде­ ление концентраций изотопов внутри молекул исследуемого ве­ щества. Необходимо, кроме того, указать на такие важные характеристики метода, как низкие затраты на подготовку проб к анализу и возможность определения изотопного состава без разрушения исследуемого образца. Отсутствуют также и спек­ троскопические затруднения в разрешении изотопической струк­ туры сигналов ЯМР. Возможности аналитического применения метода ограничены узким перечнем изотопов, поскольку для многих ядер чувствительность их обнаружения крайне низка.

Наиболее детально отработана техника наблюдения сигналов протонного резонанса. Это обстоятельство позволяет рассматри­ вать метод ЯМР как весьма привычный способ структурного изотопного анализа водорода в соединениях с высокой степенью обогащения дейтерием. Относительная погрешность определения зависит от параметров применяемой аппаратуры и свойств ана­ лизируемой пробы и находится в интервале ± 1 — 10%.

С помощью резонанса протонов и ядер фтора можно пред­ принимать попытки структурного изотопного анализа и других элементов по изменению структуры сигналов ЯМР вследствие спин-спиновой связи при замене одного изотопа на другой.

ЯМР-спектрометр высокого разрешения, по-видимому, яв­ ляется одним из наиболее дорогих приборов, когда-либо приме­ нявшихся в изотопном анализе. Однако следует иметь в виду, что приборы для наблюдения ядерного магнитного резонанса

237

относятся к приборам многоцелевого назначения и изотопно­ аналитические применения этих приборов составляют здесь лишь весьма незначительную долю.

С П И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы ;

4.Emsley J. W., Feeney J., Sutcliffe L. H. High resolution nuclear magnetic resonance spectroscopy. Oxford, 1965/66, v. I, II.

5.JEOL high resolution NMR Spectra.

7.Strechlow H. Magnetische Kernresonanz und chemische Struktur, Darm­ stadt, 1962.

8.Williams R. B. Annals N. Y. Acad. Sei., 1958, v. 70, p. 890.

9. Pfeifer H. In: Hochfrequenzspektroskopie, Berlin, 1961, S. 240.

10.Жерновой А. И., Латышев Г. Д. Ядерный магнитный резонанс в проточ­ ной жидкости. М., Атомиздат, 1964.

11. Mitchell А. М. J., Phillips G. Brit. J. Appl. Phys., 1956, v. 7, p. 67.

12.Suhr H. Naturwiss., 1966, B. 55, S. 417.

13.Staab H. A., Irngartinger H., Mannschreck A., Wu M. T. Annalen der Che­ mie, 1966, В. 53, S. 695.

14.Zoltewicz J. A., Smith C. L. J. Amer. Chem. Soc., 1966, v. 88, p. 4766.

15. Batterham T. J., Brown D. J., Paddon-Row M. N. J. Chem. Soc., 1967, v. B171.

16.Roth W. R., König J. Liebigs Ann. Chemie, 1966, В. 699, S. 24.

17.Fraenkel G., Asahi Y. J. Phys. Chem., 1967, v. 71, p. 1706.

18. Flockhart B. D., Pink R. C. Talanta, 1965, v. 12, p. 529.

19.Lundin R. E., Elsken R. H., Flath R. A., Teranishi R. Appl. Spectrosc. Rev.,

1967, V. 1, p. 131.

20.Luz Z., Pecht J. J. Amer. Chem. Soc., 1966, v. 88, p. 1152.

21.Seitz L. M., Brown T. L. J. Amer. Chem. Soc., 1966, v. 88, p. 2174.

22.Norman A. D., Schaeffer R. J. Amer. Chem. Soc., 1966, v. 88, p. 1143.

23.Norman A. D., Schaeffer R. J. Phys. Chem., 1966, v. 70, p. 1662.

24. Pilling R. L., Hawthorne M. F., Pier E. J. Amer. Chem. Soc., 1964, v. 86, p . 3568.

25.Ogg R. A., Ray J. D. J. Chem. Phys., 1957, v. 26, p. 1340.

26.Happe J. A., Morales M. J. Amer. Chem. Soc., 1966, v. 88, p. 2077.

27.Meiboom S. J. Chem. Phys., 1961, v. 34, p. 375.

28.Абрагам А. Ядерный магнетизм. Пер. с англ. М., Изд-во иностр. лит..

1963.

29.Saur W., Crespi Н. L., Harkness L. е. a. Anal. Biochem., 1968, v. 22, p. 424.

30.Schuster D. I., Krull I. S. J. Amer. Chem. Soc., 1966, v. 88, p. 3456.

31.VARIAN technical information bulletin NMR at work, No. 73.

32.Smith W. B. J. Chem. Education, 1964, v. 41, p. 97.

33.VARIAN technical information bulletin. NMR at work, No. 57.

34.Goldman M. Arch, des Sciences, 1957, B. 10 (162), S. 247.

35.Goldblatt M., Jones W. M. Analyt. Chem., 1964, v. 36, p. 431.

36.Glinskich W. M., Subarew G. N., Kutscherjajew A. G. e. a. Dritte Arbeits­

tagung über stabile Isotope. Berlin, 1965, S. 323.

37.Koch F., Niculescu V. Isotopenpraxis, 1968, B. 4, S. 150.

38.Sadtler. Nuclear Magnetic Resonance, Philadelphia, 1965.

39.Bhacca N. S., Johnson L. F., Shoolery J. N. NMR Spectra catalogue, v. L

Varian Associates, Palo Alto, California, 1962; Bhacca N. S., Hollis D. P., Johnson L. F., Pier E. A. NMR Spectra catalogue, v. 2, Varian Associates, Palo Alto, California, 1963.

40.Suhr H. Anwendungen der kernmagnitischen Resonanz in der organischen Chemie. B erlin— Göttingen — Heidelberg, 1965.

238

42.Попл Дж., Шнейдер П., Бернстейн Г. Спектры ядерного магнитного резо­ нанса высокого разрешения. Пер. с англ. М., Изд-во иностр. лит., 1962.

48.Deno N. C., Evans W. J. Amer. Chem. Soc., 1965, v. 87, p. 582.

49.Kingsbury C. A. Tetrahedron Letters, 1966, p. 2539.

50.Caserio F. F. Jr. Analyt. Chem., 1966, v. 38, y. 1802.

57.Fraenkel G., Asahi Y.,Batiz-Hernandez H., Bernheim R. A. J. Chem. Phys., 1966, V. 44, p. 4647.

58.Viallard R. Bull. soc. chim. France, 1966, No. 12, p. 3695.

59.Govil G. Bull. Nat. Inst. Sei. India, 1965, No. 30, p. 1.

60.Batiz-Hernandez H., Bernheim R. A. In: Progress in nuclear magnetic re­

62.Zimmerman J. R., Brittin W. E. J. Chem. Phys., 1957, v. 61, p. 1328.

63.Sprinz H. Z. Naturf., 1964, B. 19a, S. 1243.

64.Leyden D. E., Reilley C. N. Analyt. Chem., 1965, v. 37, p. 1333.

65. Bardos T. J., Szantay C., Navada С. K. J. Amer. Chem. Soc., 1965, v. 87,

p.5796.

66.Day R. J., Reilley C. N. J. Phys. Chem., 1967, v. 71, p. 1588.

67.Kresge A. J., Allred A. L. J. Amer. Chem. Soc., 1963, v. 85, p. 1541.

68.Merbach A. J. Chem. Phys., 1967, v. 46, p. 3450.

69.Poliak V. L., Slater R. R. Z. Naturf., 1967, B. 22a, S. 2110.

70.Gold V. Proc. Chem. Soc., 1963, p. 141.

71.Маситов P. К. «Докл. АН СССР», 1964, т. 156, с. 135.

72.Katz J J., Crespi H. L., Blake M. I. In: Isotopes in experimental pharmaco­

logy. Chicago, London, 1965, p. 455.

73. Neszmelyi A., Simonyi M., Dudos F. Acta. Chim. Acad. Sei. Hung., 1967,

v.53, p. 369.

74.VARIAN technical information bulletin, NMR at work, No. 32.

75.Dreescamp H., Stegmeier G. Z. Naturf., 1967, B. 22a, S. 1458.

76.VARIAN technical information bulletin, NMR at work, No. 71.

77.Eckstein R. R., Attalla A. Analyt. Chem., 1966, v. 38, p. 1964.

78.Heitsch C. W. Inorg. Chem., 1964, v. 3, p. 767.

79.Bose A. W., Kugaewski I. J. Amer. Chem. Soc., 1966, v. 88, p. 2325.

80.Andreades S. J. Amer. Chem. Soc., 1964, v. 86, p. 2003.

81.Deverell C., Schaumburg K. Analyt. Chem., 1967, v. 39, p. 1879.

82.Johannesen R. B., Farrar T. C., Brinkman F. E., Coyle T. D. J. Chem.

Phys., 1966, V. 44, p. 962.

83.Windle J. J., Wiersema A. K. J. Chem. Phys., 1963, v. 39, p. 1139.

84.Itoh K., Miyagawa I. J. Chem. Phys., 1964, v 40, p. 3328.

85.Лебедев О. Л., Чидекель М. Л., Разуваев Г. А. «Докл. АН СССР», 1961,

т. 140, с. 1327.

Г Л А В А 10.

ГАЗОВАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ,

10.1. Общие замечания и определения

Из всех многочисленных вариантов хроматографического разделения веществ для аналитического разделения изотопных молекул наиболее подходящим оказался метод газовой хромато­ графии. Сущность любого хроматографического метода заклю­ чается в распределении компонентов Сложной системы между двумя фазами, находящимися в движении друг относительно друга. Хроматографический анализ стабильных изотопов осно­ ван на сочетании хроматографии как метода по возможности полного разделения изотопных веществ с последующим опре­ делением количества разделенных компонентов с помощью физического метода. Газовая хроматография удовлетворяет основным требованиям изотопно-аналитической практики: ми­ нимально необходимое для анализа количество вещества состав­ ляет всего ІО-4 моль, достаточно полное разделение анализируе­ мой системы на составные части может быть осуществлено за время, меньшее 1 ч.

Несмотря на то что метод газовой хроматографии широко известен и уже довольно подробно описан в литературе [1 — 10], представляется целесообразным для лучшего понимания после­ дующих оценок возможностей метода в приложении к изотоп­ ному анализу веществ предварительно обсудить некоторые его основные характеристики. Обычно методы газовой хромато­ графии являются разновидностями проявительной или элюентной хроматографии. При этом подвижная фаза всегда представ­ ляет собой поток газа. Вместе с потоком газа, называемого газом-носителем, через разделительную колонку пропускается газообразная проба (разделяемая смесь изотопных молекул в случае изотопного анализа). Колонка заполнена неподвижной фазой, которая может быть как твердым веществом, так и жидкостью, локализованной внутри колонки с помощью инерт­ ного носителя в виде тонкой пленки. Разделение анализируемой смеси основано на распределении ее компонентов между по­ движной и неподвижной фазами. При этом взаимодействие компонентов смеси с материалом колонки приводит к замедле­ нию продвижения их через колонку по сравнению с потоком газа-носителя, что находит свое проявление в закономерном

240

соответствующих выделенным компонентам анализируемой

смеси.

Для правильного понимания процесса работы хроматографа и параметров прибора, от которых существенно зависит степень разделения анализируемой смеси, необходимо обсудить основ­ ные теоретические положения газовой хроматографии.

Рис. 10.1. Схема газового хроматографа:

лительная колонка; 8 — баллон с газом-носителем.

10.2. Основы теории газовой хроматографии

Основной характеристикой газохроматографического разде­ ления двух веществ является отношение удерживаемых объемов. Эта характеристика зависит от типа адсорбционной или аб­ сорбционной заполняющей среды и температуры, при которой осуществляется разделение.

И с п р а в л е н н ы й у д е р ж и в а е м ы й о б ъ е м Ѵі веще­ ства і — объем газа-носителя, прошедшего через колонку с мо­ мента появления на ее выходе несорбирующегося вещества (например, растворителя, воздуха и т. п.) до наступления макси­ мума хроматографического пика определяемого вещества. Это количество газа приведено к нормальным условиям. Таким об­ разом, исправленный удерживаемый объем ограничен на хрома­ тограмме, с одной стороны, максимальным значением концен­ трации инертного газа, проходящего через детектор, а с дру­ гой — максимальной концентрацией определяемого вещества.

Отношение удерживаемых объемов для двух веществ Ѵ'г/Гі определяет значение их коэффициента разделения а. Коэффи-

242

дивит разделения для данной анализируемой смеси и определен­ ного материала колонки (сорбента или адсорбента) зависит только от температуры:

Поскольку удерживаемый объем Ѵі пропорционален времени удерживания tit то коэффициент разделения можно определить так же, как отношение времен удерживания двух веществ:

Рис. 10.2. К пояснению основных параметров процесса газохро­ матографического разделения:

/о — холостое время колонки; t y — времена удерживания: 11, іг — исправ­ ленные времена удерживания; со — ширина пика.

Основная цель любого газохроматрграфического метода разделения — по возможности полно отделить друг от друга определяемые вещества за кратчайшее время анализа, т. е. при условиях, когда времена удерживания этих веществ мини­ мальны. В связи с этим необходимо ввести понятие критерия разделения двух веществ R (безразмерная величина), который в случае изотопных молекул приближенно определяется соотно­ шением

где со — ширина хроматографического пика, определяемая рас­ стоянием между перпендикулярами к оси абсцисс, проходящими через точки перегиба хроматографической кривой (рис. 10.2). Если R = \ , то при равных концентрациях компонентов в смеси (равные площади пиков) можно считать, что эти вещества раз­ делены полностью.

Для оценки эффективности разделения в теории газовой хроматографии широко используется понятие эквивалентных тарелок, подобно тому, как это делается при расчете процесса

16* 243

разделения в дистилляционных колоннах. Хотя понятие теоре­ тической тарелки не совсем строго применимо для описания хроматографического процесса, тем не менее введение такого понятия в теорию позволяет получить правильное представле­ ние о разделительной способности колонки, поскольку длина или высота эквивалентной теоретической тарелки может служить мерой ширины хроматографического пика [11].

Необходимое число эквивалентных теоретических тарелок определяется соотношением

где f — время удерживания. Более подробное пояснение опре­ деления числа теоретических тарелок дано на рис. 10.2. Здесь t [

и t'2 — времена удерживания компонентов 1 и 2, отсчитанные от старта хроматограммы; t'x—tQ+ t\\ t'2 = t0 + t2. При разделении изотопных разновидностей анализируемого вещества прибли­ женно можно считать, что . Отрезок времени to, отсчи­

тываемый со старта хроматограммы до появления пика инерт­ ного газа, представляет собой холостое время колонки.

Поскольку при разделении изотопных веществ времена удер­ живания компонентов всегда достаточно велики по сравнению с их разностью и, кроме того, t \ ^ t 2, то из уравнения (10.4) сле­ дует, что

Тогда, комбинируя уравнения (10.5) и (10.3) и вводя обозна­ чение

с учетом соотношения (10.2) для коэффициента разделения по­ лучаем после некоторых преобразований следующую формулу:

Между числом эквивалентных тарелок п, длиной колонки L и высотой отдельной тарелки Н существует очевидное соотно­ шение

и, кроме того, высота эквивалентной теоретической тарелки является линейной функцией средней скорости потока й:

244

Отсюда легко получить выражение для отношения квадрата

критерия разделения к времени удерживания компонента ко­ лонкой:

( 10. 10)

Это отношение является удобной характеристикой разделитель­ ной колонки и позволяет быстро оценить ее возможности приме­ нительно к конкретной проблеме разделения.

В работе [12] данное соотношение было использовано для отыскания оптимального режима работы разделительной ко­ лонки с максимальным значением функции R2/t'*. Авторы экс­ периментально показали, что при обычных условиях работы величина С меняется незначительно и максимум выражения

достигается при определенной температуре разделения, что и позволяет отыскать оптимум разделения при минимальном вре­ мени анализа.

Величина k' получила название относительной емкости ко­

В случае газо-жидкостной хроматографии величины, входящие в выражение (10.11), имеют следующий смысл: К — коэффи­ циент распределения; VL и VG— объемы жидкой и газообразной фаз соответственно. Если эти параметры подставить в уравнение (10.10), то легко видеть, что величина R2/t приблизительно про­ порциональна отношению VGjVL■ Отсюда, в частности, следует, что капиллярные колонки, в которых только внутренние стенки покрыты слоем жидкости, обладают большей разделительной способностью, чем колонки с внутренним заполнением, содер­ жащие по всему сечению мелкозернистый носитель, покрытый пленкой жидкости. Этот вывод подтверждается как общей прак­ тикой современной газовой хроматографии, так и приводимыми ниже результатами разделения изотопно замещенных веществ

(см. разд. 10.5).

Оптимизация работы колонки по параметру R2[ f наряду с обычно употребляемыми параметрами оптимизации (например, R2/n или R2/L) приобретает особое значение при газовой хрома­ тографии трудно разделяемых изотопных смесей. Дело в том, что здесь, как правило, времена удерживания довольно велики (по порядку величины ~ 1 ч) и соответственно сама процедура анализа длительна.

* Метод расчета условий разделения, о котором идет речь ниже, был впервые предложен Парнеллом (см. Purnell A. Gas Chromatography, Lon­

don, 1963). — Прим, перев.

245

Известно, что для газохроматографического разделения изо­ топных молекул в- общем случае требуется большое число эквивалентных теоретических тарелок, т. е. находят применение только колонки большой длины. Вследствие этого на практике всегда крайне желательно иметь возможность заранее, расчет­ ным путем оценить экспериментальные требования для решения данной аналитической задачи или же по крайней мере из опыта с короткой колонкой определить параметры разделения данной изотопной смеси и на этой основе сформулировать технические требования к аппаратуре.

Из уравнений (10.3) — (10.10) следует, что для определения параметров разделения по результатам опытов с короткой ко­ лонкой требуется знать не только параметры пика неразделен­ ной изотопной смеси, но и коэффициент разделения а [см. формулу (10.2)]. Температурная зависимость коэффициента раз­ деления для определенной комбинации разделяемых компонен­ тов и типа процесса разделения (например, адсорбция или газо­ жидкостное распределение) описывается уравнением (10.1). В небольшом интервале температур можно ограничиться лишь первыми двумя членами уравнения. Тогда для конкретной мо­ дели разделительного процесса константы в формуле (10.1) будут содержать в себе некоторые термодинамические и моле­ кулярные постоянные. Как показали, например. Бланк [13] и Фаулер [15], для линейной части изотермы адсорбции по Ленг­ мюру [14] справедливо соотношение

(а—1) = (С2 —Q/Cj,

Здесь {Nf и iNg— число молекул или молей газа на единицу

10.3. Методы определения коэффициента разделения

Как уже отмечалось, при разделении изотопов прежде всего необходимо знать число эквивалентных теоретических тарелок и соответственно длину колонки, обеспечивающую достаточное разрешение пиков изотопозамещенных веществ. Поскольку в

246