Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Методы исследования качества продуктов питания. Учебное пособие

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
07.09.2026
Размер:
2 Мб
Скачать
☆
рисунке отражает предел проникания колонки. Все молекулы,
А
C
Д
В
R
2
3
6
масса которых меньше, чем в точке В, также будут элюироваться из колонки одним пиком с удерживаемым
объемом V
. Между точками А и В располагается диапазон
t
селективного разделения. Соответствующий ему объем Vi = Vt -
VО называют рабочим объемом колонки. Отрезок СД
представляет собой линейный участок на градуировочной зависимости в координатах VR - lgM. Этот участок описывается уравнением
VR = С1 - С2 lgM, (3.11)
где С1 - отрезок, отсекаемый на оси ординат отрезком СД, С2 ­тангенс угла наклона этого отрезка к оси ординат.
Рис.3.11. .
lg M
Градуировочная зависимость,
5
4
используемая в эксклюзионной хроматографии
V
0
1
V
t
V
i
V
Достоинством эксклюзионной хроматографии является то, что метод характеризуется небольшими временами удерживания, определяемыми значениями коэффициентов распределения К (между 0 и 1). Пики на гель-хроматограммах обычно достаточно узкие и хорошо воспроизводимые. Однако недостатком является то , что ввиду ограниченности диапазона
51
значений К максимальное число разрешенных пиков относительно невелико. Этим методом невозможно разделить молекулы одинакового размера, в частности, изомеры. Считается, что разделение двух веществ будет удовлетворительным, если их молекулярные массы различаются не менее, чем на 10%.
Механизм разделения веществ в хроматографической
колонке
На разделение и удерживание веществ в ВЭЖХ влияют различные по природе силы. Вклад каждой из них определяется целым рядом факторов. Основными являются свойства поверхности сорбента, состав элюента и химическая природа разделяемых веществ.
Одной из возможных причин, приводящих к разделению веществ, является различия в коэффициентах распределения анализируемых веществ между двумя жидкостями ­растворителем и привитой фазой (то есть за счет абсорбции). Такой механизм реализуется при разделении неполярных гомологов, например, для случая алкилбензолов. При этом привитую на поверхность сорбента фазу можно воспринимать как пленку жидкости на носителе.
Концентрирование и разделение веществ в хроматогра­фической колонке может происходить в результате межмолекулярных взаимодействий между веществом и сорбентом (неподвижной фазой). Возможные типы взаимодействия между разделяемым веществом и неподвижной фазой на основе химически модифицированного силикагеля проиллюстрированы на рис. 3.12 .
52
+
Кремниевая основа
Ван-дер-Ваальсовы силы
Диполь-дипольные взаимодействия или водородные
NH
2
Кремниевая основа
Кремниевая основа
-
SO
4
Свя занные функциональные группы
H
O
O
C
N
OH
H
O
O
H
OH
Ионные свя зи
SO
3
NH
+
3
CO2H
N
-
CO
2
Рис. 3.12. Возможные типы взаимодействия между сорбентом и определяемыми веществами в хроматографической колонке, содержащей обращенную фазу
53
Межмолекулярные взаимодействия (взаимодействия Ван­дер-Ваальса) обычно относят к двум принципиально различным типам. Первый тип включает взаимодействия, обусловленные так называемыми ориентационными, индукционными и дисперсионными силами (неспецифические взаимодействия). Второй тип объединяет взаимодействия, обусловленные водородными связями, переносом заряда, а также переносом электронной пары. Взаимодействия этого типа специфичны и могут приводить к образованию молекулярных соединений определенной стехиометрии.
Ориентационными называют взаимодействия между молекулами, обладающими дипольными моментами в силу несимметричного распределения зарядов.
Постоянный дипольный момент молекулы µ может индуцировать дипольный момент в соседней молекуле. Индуцированный дипольный момент всегда направлен в сторону индуцирующего диполя. Таким образом, между двумя молекулами возникает индукционные взаимодействия, также влияющие на разделение веществ.
В результате непрерывного движения электронов в любое время в данной молекуле или в данном атоме, даже если они не обладают постоянным дипольным моментом, возникает небольшой дипольный момент, который может вызывать меняющуюся во времени поляризацию соседних атомов или молекул. Это приводит к синхронизации движения электронов таким образом, что взаимодействующие молекулы
притягиваются друг к другу (дисперсионное взаимодействие).
Дисперсионные взаимодействия проявляются только на очень
6
малых расстояниях и изменяются пропорционально 1/r
. Они
универсальны и характерны для любых атомов и молекул.
Для веществ сложного состава, содержащих различные функциональные группы, реализуется другой механизм
54
разделения. Он предполагает, что на поверхности обращенно­фазного сорбента за счет сил адсорбции может образовываться слой жидкой фазы, обогащенный менее полярным компонентом подвижной фазы. В ОФ-ВЭЖХ в качестве подвижной фазы чаще используют смеси растворителей метанол-вода или ацетонитрил-вода, в которых менее полярными (и, соответственно, более подобными по химической природе к привитой фазе) являются метанол и ацетонитрил. Удерживаясь на поверхности сорбента, эти растворители создают на ней слой жидкости, отличающейся от подвижной фазы по составу и свойствам. Участвуя в разделении, такой слой жидкости взаимодействует с полярными группами анализируемых веществ по иному, чем привитый на носителе слой, механизму.
Другой возможный механизм разделения в ОФ-ВЭЖХ определяется наличием на поверхности модифицированного сорбента большого количества силанольных групп (см. рис. 8). Это связано с тем, что при прививке на поверхность силикагеля объемистых алкильных групп (рис. 9) не все силанольные группы пространственно доступны для химической реакции. В то же время свободные силанольные группы пространственно доступны для небольших по размеру молекул воды, ацетонитрила или метанола. Взаимодействие этих растворителей также создает на поверхности сорбента поляризованный слой жидкости, отличающийся по составу и свойствам от подвижной фазы. Этот слой жидкости взаимодействуют с анализируемыми веществами в процессе элюирования образца и вносит вклад в процесс разделения.
Кроме того, свободные силанольные группы обладают слабыми кислотными свойствами и могут выступать как ионообменники, взаимодействуя по ионообменному механизму с разделяемыми соединениями. Межмолекулярные взаимодействия с анализируемым веществом должны быть максимально сильными, в то же время отличаться
55
от взаимодействий с компонентом матрицы (анализируемый образец, содержащий, кроме определяемых веществ, и другие соединения). В то же время они должны быть обратимыми для десорбции адсорбированных компонентов при использовании соответствующего элюента. В таблице 3.3 указаны энергии взаимодействия различных типов связей.
Таблица 3.3. Величины энергии различных типов связей, реализующихся в хроматографической колонке
Тип связи Энергия связи,
кДж/моль
Ковалентная связь 670-3360
Ионная связь 250-1050
Водородная связь 25-40 Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия 5-20
Если вещество имеет углеводородные группы, то взаимодействие с неполярной фазой происходит за счет Ван­дер-Ваальсовых взаимодействий. Основные взаимодействия могут дополняться вторичными взаимодействиями. Например, силанольные группы, остающиеся на поверхности силикагеля после ее модифицирования алкильными или другими группами, взаимодействуют с полярными молекулами.
Существует важное отличие механизма разделения веществ в газожидкостной хроматографии и ВЭЖХ. В ГЖХ взаимодействия веществ в подвижной (газовой, обычно гелий) фазе незначительны. Поэтому селективность системы в основном определяется взаимодействиями разделяемых веществ с неподвижной фазой. В ВЭЖХ, напротив, подвижная (жидкая) фаза не является инертной к разделяемым веществам. Она может играть главную роль в процессе термодинамического
56
распределения веществ между неподвижной и подвижной фазами из-за селективных взаимодействий компонентов анализируемой смеси с элюентом (смесью растворителей). По этой причине для эффективного разделения веществ в ВЭЖХ важную роль играет не только выбор сорбента, но и состав подвижной фазы.
Элюотропные ряды растворителей
Термин «элюотропные ряды» используется для оценки способности различных растворителей к вытеснению (элюированию) разделяемых веществ из колонки.
Элюирующую способность растворителей часто
характеризуют при помощи величины, называемой
0
ε
элюирующей силой (
). В отличие от индекса полярности,
являющегося только характеристикой растворителя (подвижной фазы) и не зависящего от природы неподвижной фазы, элюирующая сила является мерой энергии взаимодействия молекул растворителя и неподвижной фазы и, следовательно, зависит от природы сорбента. Поэтому элюирующая сила различна для каждой комбинации сорбент-подвижная фаза.
Элюотропный ряд - перечень растворителей в порядке возрастания их элюирующей способности. Элюотропные ряды отличаются для оксида алюминия, силикагеля, полиамидных и обращенно-фазных сорбентов.
Между силикагелем и оксидом алюминия обнаруживаются небольшие различия в свойствах. Поэтому, зная элюирующую силу (способность) для одного из сорбентов, в большинстве случаев можно рассчитать элюирующую силу для другого сорбента. Элюирующая сила растворителя на сорбентах на основе силикагеля, составляет только 3/4 от элюирующей силы растворителя на оксиде алюминия. Изменение в порядке
57
расположения растворителей обычно приписываются различиям их протонодонорных и протоноакцепторных свойств (табл. 3.4).
Элюотропные ряды на обращенных (модифицированных) фазах обратны рядам на гидрофильной поверхности немодифицированного силикагеля. В зависимости от типа привитой на силикагель фазы (рис. 3.9) возможны изменения в последовательности ряда растворителей.
Таблица 3.4. Сравнение элюотропных рядов для силикагеля и окиси алюминия в порядке возрастания элюирующей силы
Силикагель Окись алюминия н-гексан пентан пентан н-гексан циклогексан циклогексан четыреххлористый углерод четыреххлористый углерод толуол толуол хлороформ диэтиловый эфир дихлорметан хлороформ диэтиловый эфир дихлорметан уксусная кислота ацетон ацетон уксусная кислота этанол пиридин метанол этанол пиридин метанол вода вода
В нормально-фазовой хроматографии, где полярность неподвижной фазы выше, чем подвижной, полярные вещества элюируются в последнюю очередь. При этом, чем менее полярна подвижная фаза, тем больше их времена удерживания. В обращено-фазовой хроматографии полярные вещества
58
элюируются первыми, а чем более полярна подвижная фаза, тем
Ионообмен
фия
сильнее удерживаются неполярные вещества.
Выбор вариантов ВЭЖХ в зависимости от природы
определяемых веществ
Выбор различных вариантов ВЭЖХ для определения конкретных образцов зависит от природы определяемых
ОПРЕДЕЛЯЕМОЕ СОЕДИНЕНИЕ
Мол.масса < 2000
растворителях
Метанол
Водорастворимые
Неэлектро
литы
Электролиты
Растворимые в
органических
растворителях
Мол.масса >2000
Водорастворимые
Растворимые в органических
Гексан
Эксклюзионная хроматография
Нормально-
фазовая или
обращенно-
фазовая
хроматогра
фия
Нормально­фазовая или обращенно-
фазовая
хроматогра
фия
Нормально-
фазовая или
обращенно-
фазовая
хроматогра
фия
ная
хроматогра
веществ (их молекулярной массы, растворимости в водных и неполярных средах, способности образовывать ионы при диссоциации и др.). Схема, показывающая принцип подбора соответствующего хроматографического метода для решения конкретной аналитической задачи, приведена выше.
Тонкослойная хроматография
Тонкослойная хроматография (ТСХ) является одним из
вариантов планарной хроматографии. Планарная
хроматография - способ анализа, в котором процессы
59
разделения смеси веществ осуществляются в плоском слое сорбента (неподвижной фазе). Она подразделяется на бумажную и тонкослойную хроматографии. В первой в качестве сорбента используется специальная бумага. Во второй процессы разделения происходят в тонких слоях сорбента, нанесенного на инертную твердую подложку, или в пленках пористого полимерного материала. Бумажная и тонкослойная хроматографии сходны по технике выполнения анализа. Тонкослойная хроматография, однако, заняла особое место среди других хроматографических методов благодаря простоте методики и доступности оборудования, широкой области применения, высокой экономичности, достаточно высокой селективности и чувствительности. ТСХ является единственным хроматографическим методом, который позволяет проводить полный анализ неизвестной смеси, поскольку исследователь может проверить, не осталось ли на старте неэлюированных (неразделенных) компонентов.
Метод ТСХ был предложен в 1938 г. отечественными учеными Н.А.Измайловым и М.С.Шрайбер. Однако широкие возможности метода были открыты позднее благодаря работам Ю.Кирхнера и Э.Шталя, посвященным биохимии и фармацевтике.
Общее описание метода. На результаты анализа в методе
ТСХ влияет техника эксперимента. В методе ТСХ неподвижная фаза тонким слоем (100-300 мкм) наносится на стеклянную, металлическую или пластмассовую пластинки. В качестве сорбента чаще всего используют силикагель, оксид алюминия, целлюлозу, полиамид, кизельгур. На линию старта (1,5-2 см от края пластинки) очень малым пятном наносится анализируемая смесь и стандартные вещества. Для этого используют капилляры, микропипетки или микрошприцы. Затем пластинку в герметичной камере погружают в растворитель, который выполняет роль подвижной фазы. Под действием капиллярных
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]