Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Введение в практический физико-химический анализ полимеров. Учебное пособие
.pdf
81
ного времени, обеспечивает стабильность параметров прибора. Дополнительно программное обеспечение прибора может быть снабжено
электронной библиотекой, которая упрощает идентификацию веществ
различных классов.
Современный хромато-масс-спектрометр способен работать в
следующих режимах:
Полное сканирование (всех образующих веществ).
Сегментированное сканирование (только определенных веществ).
По селективно отобранным ионам (только ионов конкретной массы).
Возможности пиролитической хромато-масс-спектрометрии
можно увидеть на следующем примере: пиролизу были подвергнуты
два промышленных образца поликарбоната. Идентичность пирограмм
по основным продуктам пиролиза свидетельствовала об одинаковом
химическом строении образцов, однако в продуктах пиролиза одного
из них были обнаружены бромбензол, дибромтолуол, γ-пропилбромбензол, ионол, что свидетельствовало о наличии в одном из образцов
поликарбоната (антиоксиданта).
82
ГЛАВА 4. ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Хроматография как метод исследования состава веществ существует более ста лет. Это явление открыл русский биолог и биохимик
Цвет Михаил Семенович в начале двадцатого века, исследуя растворы
экстрактов из листьев.
Пропуская растворы через очищенный от органических примесей песок, который он поместил в цилиндрический сосуд (открытый в
нижней части), он обнаружил, что пигментная часть листьев состоит
из трех составляющих, каждая из которых имеет свой цвет. В соответствии со своей природой каждая составляющая пигмента листьев занимала свое пространство в виде цветного кольца. При этом между
кольцами наблюдались достаточно четкие цветовые границы.
Это явление Цвет назвал хроматографией, что с греческого обозначает «пишу цветом» (от греческого «chromatos» – цвет).
В виде технической реализации хроматография появилась только
через 50 лет за рубежом. Первые отечественные хроматографы появились в начале 60-х годов и отличались громоздкостью и неудобством в
эксплуатации. В начале 70-х годов появились серийные отечественные
хроматографы, которые сразу же нашли широкое применение. Лучшие
отечественные приборы приближались к зарубежным аналогам.
4.1. Основные термины в хроматографии
Хроматография – метод разделения смесей веществ или частиц, основанный на различии в скоростях их перемещения в системе
несмешивающихся и движущихся относительно друг друга фаз.
Колонка – устройство различной геометрии, которое содержит хроматографический сорбент, выполняющий функцию разделителя смеси на индивидуальные компоненты.
Элюент – подвижная фаза: газ, жидкость (растворитель или
смесь растворителей), благодаря которому анализируемая смесь движется по колонке.
Неподвижная фаза – твердая фаза или нелетучая жидкость
(t
> 300оС), нанесенная на инертный носитель в определенном ко-
кип
личестве (обычно от 3 до 10 %).
Хроматограмма – результат регистрирования зависимости
концентрации компонентов на выходе из колонки от времени.
Детектор – устройство для обнаружения и регистрации компонентов смеси на выходе из колонки.
83
Хроматограф – прибор для осуществления хроматографического процесса с целью разделения и идентификации соединений (веществ), содержащихся в смеси с помощью искусственных смесей.
4.2. Сущность хроматографического анализа
Хроматография – метод разделения и определения количества
вещества в смеси, основанный на распределении компонентов между
двумя фазами: подвижной и неподвижной. Неподвижной фазой (стационарной фазой) служит твердое пористое вещество с очень развитой
поверхностью (сорбент) или вещество (с очень незначительной летучестью), нанесенное на твердое вещество (сорбент). Подвижная фаза
представляет собой газ или жидкость (растворитель), протекающие
через неподвижную фазу.
Анализируемая смесь (сорбаты) с помощью дозирующего устройства вводится в поток подвижной фазы и перемещается вдоль стационарной фазы. Стационарная фаза размещена в стеклянной или металлической трубке, называемой колонкой (хроматографическая колонка). За счет разного взаимодействия компонентов смеси с поверхностью сорбента компоненты будут перемещаться вдоль колонки с
различной скоростью. Некоторые компоненты совсем могут не взаимодействовать с сорбентом и выходят из колонки первыми. Продолжительность хроматографического анализа зависит от природы анализируемых веществ и сорбента и длится от нескольких минут до нескольких десятков минут.
В колонке осуществляется деление компонентов анализируемой
смеси, и разделенные компоненты (вещества) вместе с потоком газаносителя попадают попеременно в детектор (сенсор), который в зависимости от его конструкции измеряет какое-либо физическое свойство
газового потока (теплопроводность, ионизационный ток) и преобразует его в электрический сигнал, который прописывается в виде треугольника – хроматографического пика. Каждый пик соответствует
выходу из колонки одного из компонентов смеси, а площадь пика соответствует его содержанию в смеси.
Следует обратить внимание, что хроматограмма только фиксирует, сколько веществ находилось в анализируемой смеси, но не выявляет их природу. Для этого необходимо провести дополнительную
работу (калибровку прибора по ожидаемым компонентам).
84
4.3. Характеристика хроматографического пика и разделе-
Ввод пробы
t
m
W
b
Тангенциальные линии
для определения
ширины пика при
основании
Ширина пика
при основании
t
R2
t
R1
Нулевая
линия
A
B
Асимметрия
пика As = A/B
W
h/2
10%
высоты
пика
ние компонентов смеси
Селективность хроматографической системы зависит от способности к специфическим взаимодействиям подвижной и неподвижной
фаз с сорбентом.
Селективность колонки зависит от многих факторов, варьируя
которые можно подобрать оптимальные условия хроматографии. Исходя из химической природы разделяемых компонентов, хроматографист (любой потребитель этого метода исследования) должен выбрать
подходящую подвижную и неподвижную фазы.
Разрешение как параметр, характеризующий разделение пиков,
увеличивается по мере возрастания селективности колонки, ее длины,
условий хроматографирования. Ниже приведена схема хроматограммы
и соответствующее пояснение к ней.
Нулевая линия (базовая линия) хроматограммы – линия, соответствующая нулевой концентрации анализируемых веществ в элюате.
Дрейф нулевой линии – постепенное смещение нулевой линии в
процессе анализа смеси веществ.
Основание пика – продолжение нулевой линии, соединяющее
начало и конец хроматографического пика.
Площадь пика, S – площадь хроматограммы, заключенная между пиком и его основанием.
Высота пика, h – расстояние от максимума пика до его основания.
Анализ хроматографического пика
85
tm– время удерживания несорбируемого соединения.
tR1 и tR2– абсолютные времена удерживания компонентов (ве-
ществ) 1 и 2.
Ширина пика у основания, Wb– отрезок основания пика, отсе-
каемый двумя касательными.
Ширина пика на полувысоте, Wh/2.
tr– время пребывания исследуемого вещества в хроматографе.
Практически время удерживания определяется от момента ввода пробы (начало время отсчета, сек) вещества в хроматограф до момента
регистрации максимума хроматографического пика.
As– коэффициент асимметрии – отношение двух отрезков, образуемых на горизонтальной линии, проведенной на высоте 10 % от основания пика, при ее пересечении с вертикалью, опущенной из вершины пика.
Rs – пиков – расстояние между максимумами соседних пиков,
деленное на полусумму их ширины у основания
4.4. Классификация хроматографических методов
В основу классификации хроматографических методов положе-
ны следующие признаки:
– агрегатное состояние фаз;
– механизм взаимодействия сорбент – сорбат;
– способ проведения хроматографического анализа;
– аппаратурное оформление процесса хроматографирования.
По агрегатному состоянию фаз хроматографию разделяют на га-
зовую и жидкостную.
Газовая хроматография подразделяется на газо-жидкостную и
газо-твердофазную.
Первое слово в названии метода указывает на состояние под-
вижной фазы, второе – неподвижной фазы.
По механизму взаимодействия сорбата и сорбента можно вы-
делить следующие виды хроматографии:
адсорбционная, основанная на разной адсорбируемости ве-
ществ на твердом сорбенте той или иной природы;
распределительная, основанная на различной растворимости
веществ в неподвижной фазе (этот вид хроматографии называется газо-жидкостная хроматография) или на различной растворимости веществ
в подвижной и неподвижной фазах (жидкостная хроматография);
ионообменная хроматография – на разной способности веществ к ионному обмену;
86
фильтрация, гель-хроматография) позволяет анализировать смеси высоко-
Вид
хромато-
графии
Подвижная
фаза
Неподвижная
фаза
Геометрическая
форма аналити-
ческого устройства
Механизм
разделения
газовая:
газо-адсорбционная
газ
твердая
колонка
адсорбционный
газожидкостная
газ
жидкость
(олигомер)
колонка
распределительный
жидкостная:
твердожидкостная
жидкость
твердая
(полимерные
сорбенты)
колонка
адсорбционный
жидкостьжидкостная
жидкость
жидкость
колонка
распределительный
ионообменная
жидкость
твердая
колонка
ионный
обмен
гель-проникающая
(молекулярноситовая)
жидкость
твердая
(гелеобразная)
колонка
по размерам
молекул
молекулярных соединений, различающиеся размерами и массой молекул.
хроматографии.
сти от вида хроматографии
личии таких их свойств, как летучесть, полярность, размер молекул,
заряд. От них зависит распределение веществ между подвижной и неподвижной фазами.
молекулярно-ситовая хроматография (ранее называлась гель-
Ниже приведена сводная таблица наиболее известных видов
Таблица 11
Виды хроматографии
4.5. Механизмы хроматографического разделения в зависимо-
Хроматографическое разделение веществ основывается на раз-
Адсорбционный механизм
Неподвижная фаза представляет собой твердое вещество, на активных центрах которого адсорбируются молекулы анализируемого вещества. Происходит адсорбция – удерживание вещества поверхностью сорбента. Разделение основано в этом случае на различии полярностей анализируемых веществ: чем полярнее вещество, тем сильнее оно адсорбируется на неподвижной фазе и дольше удерживается на ней.
87
Распределительный механизм
Такой механизм имеет место в газо-жидкостной хроматографии
(вариант адсорбционной хроматографии, где в качестве твердой фазы
имеет место сорбент (специальные хроматографические сорбенты), на
поверхность которого из раствора была нанесена жидкая фаза (вещество с очень низкой летучестью при повышенных температурах, например, олигоэфир или олигосилоксан).
Процесс хроматографирования в этом случае можно представить следующим образом. Смесь газов или паров летучих жидкостей
вводят через дозатор в колонку, заполненную неподвижным инертным
носителем, на который наносится нелетучая жидкость (так называемая
неподвижная фаза). Исследуемые вещества поглощаются этой жидкостью. Затем компоненты разделяемой смеси селективно (с учетом их
специфического взаимодействия с фазой) вытесняются в определенном порядке из неподвижной фазы и потоком газа-носителя движутся
по колонке уже в разделенном виде. Разделенные вещества попадают в
специальное устройство, которое называется детектором. В зависимости от конструкции детекторов они специфически реагируют на любые
органические или же на органические вещества только с определенной
функциональной группой.
Ионообменный механизм (ионообменная хроматография)
В ионообменной хроматографии молекулы веществ смеси, диссоциировавшие на катионы и анионы в растворе, разделяются при
движении через сорбент, на поверхности которого привиты катионные
и анионные центры, способные к обмену с ионами анализируемого
вещества за счет их разной скорости обмена.
Эклюзивный механизм (молекулярно-ситовая хроматография)
Молекулы анализируемых веществ разделяются по размеру за
счет их разной способности проникать в поры носителя (твердой или
гелеобразной фазы). При этом первыми выходят из колонки наиболее
крупные молекулы (наибольшей молекулярной массы).
4.6. Наиболее востребованные виды хроматографии в поли-
мерной химии
Газовая (газо-адсорбционная хроматография)
Газовая хроматография (ГХ) получила наибольшее распространение для разделения, анализа и исследования веществ и их смесей.
Анализируемые вещества должны приходить в газообразное или парообразное состояние без разложения и в процессе всего цикла анализа
не подвергаться деструкции.
88
В газовой хроматографии в качестве подвижной фазы (газаносителя) используется любой инертный газ (азот, гелий, аргон особой
чистоты (о.ч.)).
В качестве неподвижной фазы используются адсорбенты – пористые тела с развитой внутренней поверхностью, удерживающие
анализируемые вещества благодаря межмолекулярным и поверхностным явлениям. Это могут быть полярные и неполярные неорганические и органические соединения.
К полярным адсорбентам относятся:
– силикагель (SiO2);
– оксид алюминия;
– целлюлоза.
Неполярные адсорбенты:
– активированный уголь (хроматографические угли различных марок);
– полимерные сорбенты.
Адсорбенты должны обладать следующими свойствами:
не должны вступать в химические реакции с подвижной фазой
(газом-носителем) и анализируемыми веществами;
должны обладать достаточной механической прочностью;
иметь однородную полидисперсность.
Гель-проникающая хроматография
(ГПХ) – метод, в котором для разделения полидисперсных по-
лимеров (это сущность любого полимера) в растворе используют сильно пористые неионные гранулы геля (сетадекс, сшитые полиакриламиды, сшитые полистиролы, сополимеры стирола и дивинилбензола).
При пропускании растворенного полимера через колонку боль-
шие макромолекулы полимера не способны проникать внутрь пор гранул сшитого геля и поэтому элюируются первыми (время их удерживания является наименьшим). Меньшие макромолекулы задерживаются внутри гранул геля, вследствие чего требуется больше времени для
их вымывания (время их удерживания больше).
ГПХ является наиболее распространенным методом определе-
ния молекулярно-массового распределения (ММР) полимеров, широко
применяемым в исследовательских и промышленных лабораториях.
Метод отличается высокой степенью автоматизации, относительно невысокой стоимостью, высокой скоростью анализа. Метод пригоден
практически для всех полимеров. ГПХ особенно применим для полимеров низкой и средней молекулярной массы (олигомеры, олигоорганосилоксаны, олигоэфиры, блоксополимеры поликонденсационного
типа) (рис. 20).
89
ГПХ
Определение ММР
и средних
молекулярных масс
Препаративная
наработка образцов
Фракционирование
макромолекул по
размерам и их
определение
Исследование
распределения
микроатактичности
ММР
неохарактеризованных
полимеров
Анализ длины
цепочечной
неоднородности
Исследования
смесей линейных и
разветвленных
полимеров
Определение
композиционной
неоднородности
Диагностика
блок- и привитых
сополимеров
Определение числа и
размеров блоков в
блок-сополимере
риалы, например, по полидисперсности молекулярной массы, контролировать их качество; помогает найти связь ММР с эффективностью
переработки и свойствами полимеров.
ток) расфракционировать сотни граммов полимеров и получать фракции с минимальной полидисперсностью (Мm/Mn 1,05).
детектора от удерживаемого объема, VR. Высота пика hi, являющаяся
функцией удерживаемого объема, пропорциональна Nix Mi, где Ni– число молекул i-типа с молекулярной массой Mi(рис. 21).
Рис. 20. Возможности гель-хроматографии
Применение ГПХ позволяет стандартизовать полимерные мате-
Препаративная ГПХ позволяет в разумное время (в течение су-
Хроматограмма ГПХ представляет кривую зависимости сигнала
90
Концентрация полимера по массе
h
V
R
Удерживаемый объем
Рис. 21. Типичная хроматограмма в ГПХ
Важнейшей процедурой обработки данных хроматографии яв-
ляется калибровка хроматографа по молекулярной массе. Для калибровки используют стандартные узкодисперсные образцы с известной
ММ (обычно это полистиролы различной молекулярной массы). Для
определения ММР полимеров производят калибровку хроматографической колонки и строят график зависимости VR от М.
В современных жидкостных хроматографах хроматограммы ММР
полимера, включая калибровку хроматографа по молекулярной массе,
осуществляют с помощью ЭВМ.
Дальнейшим развитием гель-проникающей хроматографии стало
появление высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ), что
стало возможным благодаря появлению нового поколения хроматографов. В составе приборов появились двухплунжерные поршневые
насосы, которые позволяют обеспечить подачу жидкости со скоростью
до 1мл/мин. Современные насосы обеспечивают точную и воспроизводимую по потоку подачу элюента без пульсаций. Точность подачи
элюента – крайне важный параметр для гель-проникающей и ВЭЖХ,
где любое несоответствие в подаче элюента может вызвать значительную погрешность в измерениях.
В качестве сорбентов для ВЭЖХ применяют пористые сфериче-
ские микрочастицы диаметром от 3 до 8 мкм. В гель-проникающей
хроматографии применяют также пористые фазы, но с большим диаметром (20 мкм и более).
Решающую роль в ВЭЖХ имеет пористость сорбента, так как
разделение происходит на поверхности пор (средний диаметр пор от 6
до 100 нм).
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]