Хроматографические методы анализа. Учебное пособие

менно-ионизационным детектором. К парам воды этот детектор малочувствителен. Широко применяют химические превращения в анализе термически неустойчивых биологических смесей. Обычно анализируют производные аминокислот, жирных кислот, сахаров, стероидов. Для изучения высокомолекулярных соединений (олигомеры, полимеры, каучуки, смолы и т. д.) по продуктам их разложения используют пиролизную хроматографию. В этом методе испарение пробы заменяют пиролизом. Карбонаты металлов можно проанализировать по выделяющемуся диоксиду углерода при обработке их кислотами.

ГХ используют также в препаративных целях для очистки химических препаратов, выделения индивидуальных веществ из смесей. Метод широко применяют в физико-химических исследованиях: для определения свойств адсорбентов, термодинамических характеристик адсорбции и теплот адсорбции, величин поверхности твердых тел, а также констант равновесия, коэффициентов активности и др.

При помощи газового хроматографа, установленного на космической станции «Венера-12», был определен состав атмосферы Венеры. Газовые хроматографы устанавливают в жилых отсеках космических кораблей: организм человека выделяет много вредных веществ, и их накопление может привести к большим неприятностям. При превышении допустимых норм вредных веществ автоматическая система хроматографа дает команду прибору, который очищает воздух.

3.2. Строение газового хроматографа и техника проведения хроматографии

Газовый хроматограф состоит из источника постоянного потока газаносителя, регулятора потока газа, дозирующего устройства для количественного ввода анализируемой пробы, термостатированной хроматографической колонки, детектора, самописца, блока нагрева колонки и необходимого в некоторых случаях устройства для улавливания компонентов смеси после их разделения.

Газ-носитель подается из газового баллона через редуктор. Для очистки газа от влаги и других примесей используют склянки или U-образные трубки, заполненные хлоридом кальция, силикагелем. Их устанавливают перед дозатором, с их помощью производятся дозировка и введение пробы в хроматограф. Хроматограф имеет приспособления, обеспечивающие смешение введенной дозы с газом-носителем или ее испарение. В газовой хроматографии применяются термостатированные прямые, U-образные и спиральные колонки с диаметром просвета от 2 до 12-15 мм, длиной от 2 до 20 м. Колонки делают из стекла, меди, латуни, стали. Очень большое значение имеют полное и равномерное наполнение колонки сорбентом и постоянство температуры, что достигается термостатированием колонки.

Техника проведения газовой хроматографии

Нагретый до определенной температуры поток газаносителя вводят в

анализируемую пробу. Вещества пробы испаряются и вместе с потоком газа

31

поступают в термостатированную колонку с неподвижной фазой (адсорбентом). В колонке протекают многократные процессы адсорбции и десорбции на твердом носителе или растворения и выделения в жидкой пленке смеси газообразных веществ. Разделение сложной смеси здесь определяется коэф-

фициентами адсорбции или распределения анализируемых веществ между фазами. На выходе из колонки смесь разделяется на индивидуальные вещества, поступающие с потоком газа на детектор.

Для измерения или записи импульсов, поступающих с детектора, при меняют чувствительные показывающие или записывающие милливольтметры и потенциометры. Регистрируя сигнал, получают хроматограмму.

В основу построения градуировочного графика можно положить массу, объем или мольные проценты. Для каждого растворенного вещества необходимо построить свою кривую, так как нет детектора, который бы реагировал совершенно одинаково на каждое соединение. Как всегда, точность анализа определяется близостью состава стандартного и анализируемого образцов, тщательностью их приготовления и надежностью контроля за рабочими параметрами колонки. Влияние параметров колонки можно частично устранить введением известного количества внутреннего стандарта и в эталоны, и в анализируемые пробы. Время удерживания внутреннего стандарта должно быть близко к времени удерживания определяемого вещества, но его пик должен быть отделен от пиков всех других компонентов пробы - требование, которое часто трудно выполнить.

3.3. Детекторы в газовой хроматографии Детектор - прибор, реагирующий на изменение состава газа при его

выходе и передающий эти данные регистрирующему прибору. Виды детекторов: интегральные и дифференциальные.

Сигнал интегрального детектора пропорционален общей массе вещества в потоке газа. При прохождении через детектор чистого газа-носителя на ленте записывается горизонтальная линия, когда через детектор проходит компонент смеси, перо самописца перемещается, вычерчивая ступень. Таким образом, хроматограмма, полученная с помощью интегрального детектора, состоит из ступеней, высота которых пропорциональна массе компонента, соответствующего данной ступени.

В хроматографах чаще используют дифференциальные детекторы, регистрирующие разностный сигнал. Работа дифференциальных детекторов основана:

а) на различии в теплопроводности определяемых компонентов и подвижной фазы - термокондуктометрические детекторы - катарометры;

б) на изменении электрической проводимости при ионизации компонентов анализируемой смеси - ионизационные детекторы;

в) на разнице плотности газа и пробы - денситометрические детекторы; г) на измерении поглощения в монохроматическом свете - спектрофото-

метрические детекторы и др. Кроме того, иногда газовый хроматограф объединяют с масс-спектрометром, используя его в качестве детектора веществ.

32

Вкатарометре производится измерение электрического сопротивления раскаленной проволоки, помещенной в поток газа. Температура проволоки и

еесопротивление изменяются в зависимости от концентрации элюируемого вещества, находящегося в потоке газа. Катарометр универсален, но малочувствителен (10-2-10-3%). Ионизационные детекторы гораздо чувствительнее катарометров. Принцип их действия основан на измерении силы тока. В

пламенно-ионизационном детекторе измеряется сила тока, возникающего между электродами, помещенными в пламя, производящее ионизацию веществ. На электроды подано напряжение. При появлении в пламени ионов между электродами возникает ток ионизации. Высокой чувствительностью обладает электронно-захватный детектор.

3.4. Газ-носитель, адсорбенты, использующиеся в хроматографии. Температурный режим

Вкачестве газа-носителя в хроматографии выбирают инертные газы, не взаимодействующие с парами веществ, - азот, диоксид углерода, гелий, аргон, водород. При выборе газа-носителя учитывают применяемый тип детектора. Если применен катарометр, то используют газы, имеющие высокую теплоемкость (гелий и водород) и обеспечивающие высокую чувствительность детектора.

Адсорбенты для газотвердой хроматографии должны иметь развитую мелкопористую поверхность и определенную степень дисперсности. Наиболее подходящий размер зерен адсорбента - 0,1-0,5 мм. В качестве адсорбентов обычно применяются силикагель, активированный уголь, оксид алюминия. Также используют оксид алюминия, искусственные и природные силикаты и алюмосиликаты (цеолиты).

Вгазожидкостной хроматографии жидкая фаза находится на твердом носителе. Твердые носители должны иметь малую микропористость (до 20 м2/г). Наиболее удобны в качестве твердых носителей различные модифицированные кремнеземы. Например, хроматон-N получают кальцинированием кремнезема, формуя затем из него шарики диаметром 0,1-0,2 мм, хезасорб готовится из кизельгура, сферохром - из силикатов. Иногда применяют носитель из обожженной дробленой глины (кирпич), промытый и обработанный соответствующим образом.

Жидкости, применяемые в качестве неподвижной жидкой фазы, должны быть инертными по отношению к компонентам смеси, носителю, термически стойкими, обладать малой вязкостью и незначительной летучестью, иметь достаточную растворяющую способность по отношению к компонентам определяемой газовой смеси. В качестве жидкой фазы часто используют диглицерол - для разделения спиртов, фенолов, ароматических аминов; эвтектическую смесь, состоящую из NаNО3, КNО3 и LiNО3 - для высокотемпературных опытов, апиезон (фракция нефти) - для разделения углеводородов, силиконовые полимеры, обладающие высокой термической устойчивостью.

Температурный режим хроматографического процесса может быть различным. При низких температурах (до 200-250 ºС) разделяют и определяют

33

летучие вещества - углеводороды, спирты, эфирные масла, растворители. Многие органические соединения испаряются при температурах выше 250 ºС (фенолы, высокомолекулярные спирты, жирные кислоты). В этих случаях разделение проводят при 250 - 400 ºС или получают производные, обладающие пониженной температурой испарения. Чаще всего производят этерификацию кислот, фенолов, спиртов, получая метиловые, этиловые, силиловые эфиры.

3.5. Качественный и количественный анализ в газовой хроматографии

Качественный анализ

Газовые хроматограммы используют для оценки чистоты органических соединений, при оценке эффективности операции очистки. Загрязнения обнаруживают по появлению дополнительных пиков; площади под этими пиками дают информацию о степени загрязнения.

С помощью этого метода можно установить присутствие или отсутствие ожидаемого соединения в смеси при условии, что имеется надежный стандартный образец. При добавлении чистого соединения на хроматограмме смеси не должны появляться новые пики, но следует ожидать увеличения существующего пика. Доказательство будет особенно убедительным, если этот эффект повторяется на разных колонках и при разной температуре.

Количественный анализ

1.Измерение высоты пика. Высота пика зависит от экспериментальных условий. Так, пики имеют тенденцию к размыванию и понижению при увеличении времени пребывания вещества на колонке. Кроме того, на высоту пика в большой степени влияют температура, пористость наполнителя и длина колонки. Но для веществ с малым временем удерживания высота пика часто является лучшим аналитическим параметром, чем площадь пика. Такие вещества дают узкие высокие пики; точное определение их площади затруднительно.

2.Измерение площади под пиком. Площадь пика обычно увеличивается обратно пропорционально скорости потока, поэтому можно внести соответствующую поправку на изменение этого параметра. В отличие от высот пиков относительные площади пиков двух соединений являются ценными характеристиками, позволяющими использовать внутренние стандарты, так как они остаются постоянными и не зависят от скорости потока. Колебания температуры оказывают очень небольшое влияние на абсолютную площадь пика и никак не влияют на относительную площадь.

Способы измерения площади пика:

1) вырезают пик; сравнивают массу вырезанной бумаги самописца с массой бумаги известной площади;

2) измеряют площадь планиметром; 3) умножают высоту пика на его полуширину; если кривая подчиняется

гауссовому распределению, это произведение равно 0,84А, где А - площадь пика;

34

4)строят треугольник, проведя касательные к обеим сторонам пика и соединив их третьей линией, параллельной фоновой линии самописца; площадь полученного треугольника приблизительно равна 0,96А;

5)используют механический и электрический интеграторы.

Наиболее часто применяют два последних метода.

35

РАЗДЕЛ 4. ИОНООБМЕННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ:

4.1. Определение, основные понятия, реакции обмена катионов и анионов, ионообменное равновесие

Ионообменная хроматография - это хроматография, основанная на свойстве подвижных ионов сорбента вступать в обменные реакции с ионами обмывающего раствора.

Ионный обмен - это процесс, при котором раствор и находящееся с ним в контакте твердое вещество обмениваются ионами одного и того же знака.

Иониты, или ионообменники, - это твердые нерастворимые вещества, способные обменивать свои ионы на ионы внешней среды (ионный обмен).

Из неорганических ионитов наиболее часто используют силикагель, пермутит; из органических - целлюлозу, сульфоуголь и синтетически высокомолекулярные вещества - ионообменные смолы.

Реакции обмена катионов и анионов: 1) RAnH + Na+ = RAnNa + Н+

(повышает кислотность раствора); 2) RKtOH + Сl- = RКtCl + OH-

(повышает щелочность раствора);

3)RAnNa + K+ = RAnK + Na+;

4)RКtCl + NО3- = RКtNО3 + Сl-

где RAn и RКt - каркас, образующий вместе с ионной группой элементарную ячейку катионита или анионита.

Ионообменное равновесие.

Из уравнения реакции обмена двух одновалентных ионов А и В: A[RAn] + B+ = B[RAn] + А+.

Согласно закону действующих масс можно написать:

где КA,B - коэффициент избирательности, или константа ионного обмена. Установление ионообменного равновесия и скорость обмена между

двумя фазами связаны с природой ионитов, хроматографируемых веществ и техникой эксперимента.

Коэффициент распределения определяется отношением количества ионов в ионите к количеству их в равновесном растворе (нужен для выявления оптимальных условий хроматографического разделения ионов).

Коэффициент распределения обмена ионов - отношение коэффициен-

тов распределения двух разделяемых ионов, найденных в одних и тех же условиях эксперимента.

Для разделения необходимо, чтобы коэффициенты распределения резко отличались друг от друга. Если коэффициенты распределения одинаковы, то разделение двух ионов смеси невозможно.

36

4.2. Строение и классификация ионитов Строение ионита

Ионит - поливалентный ион с отрицательным или положительным зарядом, связанный ионной связью с подвижным ионом противоположного заряда. Он похож на губку, в порах которой циркулируют противоионы. Если ее погрузить в раствор, противоионы могут ее покинуть и уйти в раствор. Но поскольку обязательно должна сохраняться электронейтральность ионита, противоионы смогут перейти в раствор только в том случае, если в губку попадут новые ионы из раствора в количестве, способном полностью компенсировать заряд противоионов, покинувших губку.

Классификация ионитов

Взависимости от обмена катионов или анионов:

катиониты (содержат активные кислотные группы SО3Н, -СООН и др.);

аниониты (содержат активными основные группы -NH2, =NH, ≡N, четвертичные аммониевые и пиридиниевые группировки);

амфолиты (содержат кислотные и основные группы).

Взависимости от степени диссоциации активных групп:

1)высококислотные катиониты, содержащие сильно диссоциирующие кислотные группы –SО3Н;

2)низкокислотные катиониты, содержащие слабо диссоциирующие кислотные группы -СООН и др.;

3)высокоосновные аниониты, содержащие четвертичные аммониевые или пиридиниевые группировки;

4)низкоосновные аниониты, содержащие основные группы -NH2, =NH, ≡N.

В зависимости от числа функциональных групп:

монофункциональные (содержат только одинаковые ионогенные группы);

полифункциональные (содержат одновременно несколько различных групп).

4.3. Применение ионообменной хроматографии

Методами ионной хроматографии определяют очень многие анионы в питьевой и технической воде, в продуктах технологической переработки в пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности. Известны методики определения галогенидов, нитрата, нитрита, сульфата, ацетата и т. д., всего свыше 70 анионов неорганических и органических кислот. Число катионов значительно меньше. Методами ионной хроматографии определяют главным образом катионы щелочных и щелочно-земельных металлов, а также органические катионы замещенных солей аммония. Определение многих других катионов оказывается ненадежным, так как они выпадают в осадок в компенсационной колонке с сильноосновной смолой. Ионная хроматография успешно применяется в анализе объектов окружающей среды (атмосферы, воды и т. д.), в клинических исследованиях и многих отраслях промышленности.

Области применения:

•определение концентрации солей в растворах электролитов;

37

•разделение ионов путем выделения одного из них (или группы ионов) из смеси;

•концентрирование веществ из сильно разбавленных растворов;

•проведение процесса окисления и восстановления на колонке;

•удаление из раствора ионов, мешающих выполнению анализа.

Отделение мешающих ионов противоположного знака. Например,

железо (III), алюминий и другие катионы осложняют определение сульфата из-за склонности к соосаждению с сульфатом бария. При пропускании анализируемого раствора через колонку, содержащую катионообменную смолу, катионы задерживаются и выделяется соответствующее количество ионов водорода. Сульфат-ионы, наоборот, свободно проходят через колонку; в элюате можно выполнить определение. Аналогично фосфат-ион, мешающий определению ионов бария или кальция, можно удалить, пропуская пробу через анионообменную смолу.

Концентрирование следов ионов из очень разбавленных растворов. Например, для концентрирования следов металлов из больших объемов природных вод используют катионообменные смолы. Ионы затем вымывают из смолы кислотой; в результате получается значительно более концентрированный раствор для анализа.

Определение общего содержания солей в пробе путем пропускания пробы через катионообменную смолу в кислой форме; поглощение катионов сопровождается выделением эквивалентного количества ионов водорода, которые можно собрать при промывании колонки, а затем оттитровать. Аналогично можно приготовить стандартный раствор кислоты из соли; так, можно обработать колонку, заполненную катионитом в кислой форме, раствором, содержащим взвешенное количество хлорида натрия. Соль высвобождает эквивалентное количество соляной кислоты, которую затем собирают, промывая колонку, и разбавляют до известного объема.

При обработке анионообменных смол солями по аналогичному механизму высвобождаются гидроксил-ионы.

38

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ СТУДЕНТОВ

1.По принципу взаимодействия разделяемых компонентов смеси со структурными компонентами неподвижной фазы выделяют хроматографию:

а. Афинную б. Распределительную

в. Тонкослойную г. Адсорбционную д. Колоночную е. Препаративную ж. Осадочную

2.По расположению неподвижной фазы выделают хроматографию:

а. Колоночную б. Бумажную

в. Препаративную г. Аналитическую д. Плоскостную

3.По сфере применения выделают хроматографию: а. Осадочную б. Препаративную

в. Тонкослойную г. Распределительную д. Аналитическую е. Разделительную

4.Сопоставьте вид хроматографии и принцип взаимодействия разделяемых компонентов и неподвижной фазы, на котором он основан:

1.Адсорбционная

2.Осадочная

3.Афинная

4.Ионообменная

5.Лигандообменная

а. Образование малорастворимых соединений с различной степенью растворимости б. Взаимодействие "антиген-антитело"

в. Образование комплексных соединений с различной константой нестойкости г. Разделение за счёт различного заряда разделяемых молекул д. Сорбция и

десорбция

5. К плоскостной хроматографии относятся: а. Тонкослойная хроматография

39

б. Газо-жидкостная хроматография в. Сверхвысокоэффективная жидкостная хроматография

г. Высокоэффективная жидкостная хроматография д. Бумажная хроматография

6.К колоночной хроматографии относятся: а. Тонкослойная хроматография б. Газо-жидкостная хроматография

в. Сверхвысокоэффективная жидкостная хроматография г. Высокоэффективная жидкостная хроматография д. Бумажная хроматография

7.В газовой хроматографии применяются следующие типы колонок: а. Насадочные б. Ионообменные в. Капиллярные

г. Металлические

8.Выберите газы, которые не используются в газовой хроматографии в качестве подвижной фазы:

а. Гелий б. Ксенон

в. Кислород г. Азот д. Метан

е. Ацетилен ж. Аргон

9.Выберите газы, которые могут использоваться в газовой хроматографии в качестве подвижной фазы:

а. Гелий б. Ксенон

в. Кислород г. Азот д. Метан

е. Ацетилен ж. Аргон

10.Выберите типы детекторов, применяемых в газовой хроматографии:

а. Пламенно-ионизационный детектор б. Детектор по светорассеянию

в. УФ-спектрофотометрический детектор г. Кондуктометрический детектор д. Детектор по теплопроводности

40