Лекция 4. Хроматографические методы анализа.

План

1. Газовая хроматография.

2. Жидкостная хроматогроафия.

3. Ионообменная хроматография.

4. Гель–проникающая хроматография.

1. В этом методе происходит распределение компонентов анализируемой смеси между газообразной и твердой или жидкой фазами. В установке для газовой хроматографии используют твердый инертный пористый носитель; эта жидкая или твердая фаза неподвижна. Подвижной фазой является газ-носитель, в котором содержится анализируемая проба. В качестве газа-носителя применяют инертные газы, не взаимодействующие с парами веществ – азот, диоксид углерода, гелий, аргон, водород.

При проведении анализа в нагретый до определенной температуры поток газа-носителя вводят пробу, вещества которой испаряются и вместе с потоком газа поступают в термостатированную колонку с неподвижной фазой (адсорбентом). На выходе из колонки смесь разделяется на индивидуальные вещества, поступающие с потоком газа на детектор. Схема газового хроматографа приведена на рис.4.2.

Детектор – наиболее ответственный узел газового хроматографа. Он реагирует на изменение состава газа при его выходе и передает эти данные регистрирующему прибору. Детекторы бывают 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 ступени, высота которых пропорциональна массе компонента. Работа дифференциальных детекторов основана на:

а) различии в теплопроводности определяемых компонентов и подвижной фазы – катарометры;

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

в) разности плотности газа и пробы – денситометрические детекторы;

г) на измерении поглощения в монохроматическом свете – спектрофотометрические детекторы.

2. Жидкостная хроматография основана на тех же принципах, что и газовая, с той лишь разницей, что вместо газа носителя используется поток жидкости, не смешивающийся с неподвижной фазой, находящейся в колонке. При вводе пробы анализируемого материала в поток жидкого носителя в хроматографической колонке происходят процессы перераспределения веществ между подвижной и неподвижной фазами и смесь разделяется на индивидуальные соединения. На детекторе регистрируются пики, соответствующие индивидуальным веществам. Жидкостная хроматография позволяет анализировать практически любые смеси веществ, растворимые в том или ином растворителе.

Жидкостная хроматография – универсальный метод химического анализа, он обладает высокой чувствительностью, избирательностью и универсальностью. Важной особенностью метода (в отличие от газовой хроматографии) является возможность проведения процесса при комнатной температуре, что ценно при исследовании белков, аминокислот и других неустойчивых соединений.

3. В основе ионообенной хроматографии лежит обмен ионами между ионообменником и раствором. Ионообменник имеет противоионы – подвижные ионы, способные к обмену на другие аналогично заряженные ионы. В зависимости от заряда обмениваемых ионов различают катионо- и анионообменники (катиониты и аниониты).

Ионообменники могут быть минерального и органического происхождения. В катионообменниках ионогенными группами являются сульфогруппы –SO₃H, обеспечивающие сильнокислотные свойства ионообменных смол. Слабее выражены кислотные свойства у катионообменников, содержащих в качестве ионогенных групп карбоксильную –COOH, фосфиновую –PO₃H₂ и другие. Примером ионообменников является сильноосновной АВ–17, содержащий триметиламмониевую группу, в которой группа –ОН может обмениваться на другие анионы.

Ионный обмен протекает путем обмена катионами или анионами между ионообменной смолой и раствором. Например, катионообменники, имеющие на поверхности группы –SO₃H, при реакции обмена вследствие диссоциации выделяют протон и присоединяют из раствора соответствующий катион:

Матрица·nSO₃H + nKt⁺ ↔ Матрица·nSO₃Kt + nH⁺.

Процесс ионного обмена обратим. При обработке раствором НСl катионообменник восстанавливается, отдавая в раствор катионы и присоединяя протоны. При этом происходит переход катионообменника в исходную рабочую кислотную форму. Аналогично анионообменник при обработке раствором NaOH превращается в основную форму, готовую к работе.

Ионообменные смолы имеют соответствующую маркировку: КУ – катионит универсальный, активная группа –SO₃H; КБ – катионит буферный, активная группа –СООН; КФ – катионит фосфиновокислый, активная группа –РО₃Н₂; АВ – анионит высокоосновной; АН – анионит низкоосновной. Иногда применяют обозначения, указывающие химическую основу ионообменной смолы, например ММГ – меланин, мочевина, гуанидин; СДВ – стирол, дивинилбензол; АЭ – аминэтилцеллюлоза и др. Ионообменные смолы характеризуются емкостью поглощения, или удельной емкостью, равной количеству миллимолей ионогенных групп (или поглощенных ионов) на 1 г сухой смолы.

4. Гель-проникающая хроматография представляет собой метод разделения молекул, основанный на различии их размеров. В качестве неподвижной фазы используют частицы, имеющие определенные размеры пор. Подвижной фазой служат водные растворы или органические элюенты. Молекулы анализируемых веществ распределены между неподвижным растворителем в порах сорбента и растворителем, протекающим через слой неподвижной фазы. Молекулы, которые имеют размеры, позволяющие им проникать в поры сорбента при движении вдоль колонки, часть времени теряют на пребывание в порах. Молекулы, имеющие размеры, превышающие размер пор, не проникают в сорбент и вымываются из колонки со скоростью движения элюэнта. Молекулы, которые проникают в поры всех размеров, движутся наиболее медленно. Снижение скорости движения веществ вдоль колонки тем больше, чем в большее количество пор способны диффундировать распределяемые частицы.