Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы исследования качества продуктов питания. Учебное пособие
.pdf
Таблица 3.1. Классификация методов колоночной хрома-
Неподвиж
ная фаза
Жидкость на
по верхности
твердого
носителя
Жидкость на
поверхности
твердого
носителя
тографии с точки зрения природы подвижной и неподвижной
фаз
Вид
хроматографии
Подвижная
фаза
-
Доминирующий механизм
Техника
выполнения
разделения
Газовая хроматография
Газоадсорбционная
Газожидкостная
Твердожидкостная
Жидкостьжидкостная
Ионообменная
Гельпроникающая
Сверхкрити
-ческая
флюидная
хроматография
Газ Твердое
тело
Газ
Жидкостная хроматография
Жидкость Твердое
тело
Жидкость
Жидкость Твердое
тело
Жидкость Жидкость в
порах геля
Флюид Твердое
тело
Адсорбция Колоноч-
ная
Распределение (растворение)
Адсорбция Колоноч-
Распределение
Ионный
обмен
Диффузия
молекул
Колоноч-
Колоночная
ная, плоскостная
Колоночная, плоскостная
Колоночн
ая, плоскостная
Колоночная, плоскостная
ная
Жидкостную хроматографию можно осуществить как в
колоночном, так и в плоскостном вариантах. Оба они основаны
21
на одних и тех же физико-химических принципах. Газовая
хроматография осуществляется только в колоночном варианте.
Теоретические основы хроматографических методов
можно рассмотреть применительно к колоночной
хроматографии.
Способы получения хроматограмм
В зависимости от способа перемещения анализируемой
смеси вдоль слоя неподвижной фазы различают проявительный
(элюационный), вытеснительный и фронтальные методы
хроматографии.
Проявительный (элюационный) метод заключается в том,
что хроматографируемые вещества переносятся через слой
неподвижной фазы потоком подвижной фазы — элюента,
сорбирующегося слабее любого вещества разделяемой смеси.
На выходе из слоя неподвижной фазы разделенные вещества
размещаются зонами в потоке элюата (подвижная фаза с
разделяемыми компонентами смеси), в промежутке между
которыми выходит чистый элюент. Процесс вымывания
вещества из колонки называется элюированием.
Вытеснительный метод заключается в переносе
разделяемой смеси потоком подвижной фазы — вытеснителя,
сорбирующегося лучше любого из компонентов смеси. При
этом образуются отдельные зоны, содержащие вещества,
располагающиеся в порядке возрастания их сорбируемости.
Во фронтальном методе смесь непрерывно пропускается
через слой неподвижной фазы, при этом образуются зоны,
содержащие последовательно увеличивающееся число
компонентов в порядке возрастания их сорбируемости.
Из описанных выше методов в химическом анализе
преобладающим является распределительный. В распределительной хроматографии пробу, растворенную в подвижной
22
фазе, вводят в вершину колонки. Затем через колонку
пропускают подвижную фазу до тех пор, пока все компоненты
пробы не разделятся, выйдут из колонки и не будут
зарегистрированы на выходе из нее. Средняя скорость движения
веществ вдоль колонки определяется силой его взаимодействия
с неподвижной фазой. Чем сильнее вещество взаимодействует с
неподвижной фазой, тем медленнее оно движется, тем дольше
находится в колонке. Зависимость регистрируемого сигнала
детектора от времени называется хроматограммой. На рис.3.1
для примера показана хроматограмма разделения смеси
ароматических аминов.
Рис. 1. Хроматограмма производных ароматических аминов,
зарегистрированных методом ВЭЖХ с диодно-матричным
детектированием. Скорость потока - 0,8 мл/мин
23
Хроматографический пик.
Элюационные характеристики
Для описания колоночного варианта хроматографического
процесса используют метод выходной кривой. При этом
регистрируют изменение свойства потока элюата, содержащего
хроматографируемое вещество. Кривую зависимости свойства
потока элюата (концентрация элюата или пропорциональная ей
величина) от его объема (времени прохождения) называют
хроматограммой.
Хроматограммы бывают дифференциальные, показывающие мгновенное значение какого-либо свойства потока
подвижной фазы в определенный промежуток времени, и
интегральные, показывающие суммарное значение какого-либо
свойства подвижной фазы за определенный промежуток
времени. Дифференциальная хроматограмма обычно состоит из
нулевой линии и пиков, которые соответствуют отдельным
компонентам анализируемой смеси (рис. 3.2).
Основными параметрами хроматографического пика
являются время удерживания, его высота, ширина и площадь.
Высота пика (h) - это перпендикуляр, опущенный из максимума
пика на нулевую линию. Ширина пика (µ) — отрезок,
отсекаемый на нулевой линии касательными к сторонам пика,
— расстояние между точками контура пика на середине его
µ
0,5
высоты.
Время удерживания – это время с момента ввода
анализируемой смеси в колонку до момента элюирования
компонента (время достижения максимума пика). Время
удерживания зависит от природы разделения веществ и
неподвижной фазы, температуры, скорости подвижной фазы.
24
Времена удерживания непосредственно связаны с
коэффициентами распределения.
Удерживаемый объем – объем подвижной фазы, который
необходим для элюирования компонента VR = v·t , где v –
скорости подвижной фазы.
Рис.3. 2. Дифференциальная хроматограмма: 1 - нулевая
линия; 2 - пик несорбирующегося вещества; 3 - пик
определяемого вещества
На основании полученных характеристик проводят оценку
эффективности хроматографического разделения и определение
состава смеси.
При постоянных условиях хроматографирования
удерживаемый объем (VR) и время удерживания (t) являются
качественной характеристикой вещества и используется в
качественном анализе. Для этого снимают хроматограмму
анализируемой смеси, измеряют времена удерживания всех
25
компонентов и сравнивают их с временами удерживания
стандартных веществ.
В газо-жидкостной хроматографии используют также
tt
)/lg(
индексы удерживания Ковача I: n
I
100
ni
100
tt
)/lg(
in
1+=+
, где t –
время удерживания; n – число атомов углерода в углеводороде
(алкане).
Стандартом при определении индекса удерживания
являются два соседних нормальных алкана, один из которых
элюируется до, а второй после исследуемого соединения, т.е. tn
< ti < t
n+1
.
Мерой количества вещества является площадь или
высота хроматографического пика.
Чем больше количества вещества, тем больше площадь или
высота пика. Таким образом, количественный анализ в
хроматографии основывается на измерение площадей пиков (S)
или для очень узких пиков - высоты (h). Площадь пика
рассчитывают по формуле S = h·µ
0,5
.
В количественном анализе используются различные
методы: абсолютной калибровки, метод внутреннего стандарта,
метод внутренней нормализации, метод добавок.
Физико-химические основы хроматографического
процесса
Скорость перемещения веществ в смеси вдоль слоя
неподвижной фазы различна за счет различий их межмолекулярных взаимодействий с подвижной и неподвижной фазами.
Чем сильнее вещество взаимодействует с неподвижной фазой,
тем межденнее оно движется, тем брльшее время оно находится
в колонке. В ходе хроматографического процесса компоненты
пробы непрерывно распределяются между все новыми и новыми
порциями неподвижной и подвижной фаз. Распределение
26
вещества при достижении равновесия характеризуется коэф-
bc
1
фициентом распределения К
K =
расп
Коэффициент распределения К
расп.
С
С
фнепод
(3.1)
....фподв
, а следовательно и
расп.
сорбционное равновесие молекул, зависит от природы
хроматографируемого вещества и его содержания (при С<10-5 г),
от природы подвижной и неподвижной фаз, от температуры и
давления. При больших значениях К
вещество продвигается
расп.
по сорбенту сравнительно медленно, при малых значениях быстро.
При постоянной tº сорбция увеличивается с ростом
концентрации раствора или давления подвижной фазы.
Зависимость количества поглощенного вещества от
концентрации раствора или давления газа при постоянной tº
называется изотермой сорбции (рис.3). Математически эта
зависимость выражается уравненем Ленгмюра
bc
aa+=
∞
, (3.2)
где а- количество сорбируемого вещества при
равновесии; а∞ - максимальное количество вещества, которое
может быть сорбировано на данном сорбенте; b=k1/k2 , k1 и k2 константы скорости процессов сорбции и десорбции. с –
концентрация вещества ( в адсорбционной хроматографии с –
концентрация вещества на единицу поверхности моль/см2).
В области небольших концентраций изотерма линейна и
уравнение Ленгмюра переходит в уравнение линейной изотермы
сорбции (уравнение Генри)
а = а∞ b c = Г с , (3.3)
где Г – коэффициент Генри, он равен отношению концентрации
вещества в неподвижной и подвижной фазах. Вещества с
27
меньшим Г вымываются из сорбента легче, и скорость их
перемещения будет больше.
Существует три типа изотерм сорбции - линейная
(изотерма Генри), выпуклая (изотерма Ленгмюра) и вогнутая
(рис.3. 3).
Рис. 3.3. Формы
изотерм сорбции: 1 линейная (изотерма
Генри); 2 - выпуклая
(изотерма Ленгмюра);
- вогнутая
3
Изотермы Ленгмюра представляют собой выпуклые по
отношению к оси абсцисс кривые, кривизна которых
уменьшается по мере повышения температуры, резко
снижающей величину сорбции. Поэтому хроматографическое
разделение должно проводиться при определенной и
постоянной температуре, поддерживаемой термостатом
прибора. В случае вогнутой изотермы сорбции сорбционное
насыщение не достигается, так как преобладает более сильное
взаимодействие молекул сорбат -сорбат или сорбат - подвижная
фаза, чем сорбат - сорбент. В хроматографии предпочитают
работать именно в линейных областях изотерм, так как в этом
случае скорость перемещения веществ (V
) не зависит от их
R
концентрации, а определяется коэффициентом Генри и
площадью сечения колонки (s)
U
= v/Г·s (3.4)
с
28
На рис. 3. 4 представлены схемы распределения разделяемых веществ по слою сорбента и хроматограммы, соответствующие различным формам изотерм сорбции.
а б в
Рис. 3.4 . Схема распределения хроматографируе-мого
вещества по слою сорбента и соответствующие
хроматограммы: а - при линейной изотерме сорбции; б - при
выпуклой изотерме сорбции; в - при вогнутой изотерме сорбции
Форма изотермы сорбции определяет форму
хроматографического пика.
При линейной сорбции вещества наблюдается
симметричный хроматографический пик (рис. 4а). При
выпуклой изотерме сорбции зоны с большей концентрацией
будут двигаться с более высокой скоростью, верхняя граница
зоны размывается и образуется "хвост" на хроматограмме.
При вогнутой изотерме сорбции зоны с большей
концентрацией будут двигаться с меньшей скоростью. В этом
случае происходит уширение переднего фронта
хроматографического пика.
29
В ходе хроматографического процесса расстояния между
зонами непрерывно увеличиваются, в то же время сами зоны
непрерывно уширяются, что снижает эффект разделения. Таким
образом улучшить разделение компонентов можно за счет двух
факторов: увеличения различия в скоростях движения зон и
уменьшения уширения зон (хроматографических пиков).
Существенным отличием распределительной хроматографии от адсорбционной является то, что изотерма абсорбции
линейна в более широком интервале концентраций, чем
изотерма адсорбции.
Критерии эффективности хроматографического
процесса
Для описания хроматографического процесса известно
несколько теорий. Существенное значение имеют теория
теоретических тарелок и кинетическая теория.
Теория теоретических тарелок трактует хроматографический процесс как серию последовательных однократных
актов разделения. Создатели этой теории Мартин и Синдж
(Нобелевская премия 1952 г.) ввели понятие числа
теоретических тарелок (N) и высоты, эквивалентной
теоретической тарелки (ВЭТТ).
Теория теоретических тарелок вводит допущение, что
хроматографический слой состоит из ряда равновесных зон
(теоретических тарелок). Под теоретической тарелкой
понимается условный участок колонки, в пределах которого
устанавливается равновесие частиц хроматографируемого
вещества между подвижной и неподвижной фазами. Движение
вещества вдоль колонки можно представить как
последовательный его перенос с одной теоретической тарелки
на другую.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]