ФХМА (sol2019) / Учебная литература / Методички / Туркельтауб - Часть 2, Жидкостная хроматография

68

Издание учебное

Туркельтауб Георгий Николаевич,

Ищенко Анатолий Александрович

ХРОМАТОГРАФИЯ

Учебное пособие

Подписано в печать……………..Формат 60х84х16 Бумага писчая. Гарнитура Arial.

Отпечатано на ризографе. Уч. Изд. Листов….

Тираж 100 экз. Заказ № ….

ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет тонких химических технологий имени М.В.

Ломоносова»

Издательство МИТХТ 119571 Москва, пр. Вернадского, 86.

Министерство образования и науки Российской

Федерации

Московский государственный университет тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова

Кафедра аналитической химии

Туркельтауб Г.Н., Ищенко А.А.

ХРОМАТОГРАФИЯ

Учебное пособие

Москва МИТХТ им. М.В.Ломоносова

2011

2

ББК24.74.я7

УДК 543.544

Рецензент:

д.х.н., проф. Ларионов О. Г. (ИФХЭ РАН им. А.Н.Фрумкина).

Рекомендовано к изданию кафедрой аналитической химии МИТХТ (протокол № 3 от 09.11.2011 г.)

Туркельтауб Г.Н., Ищенко А.А.

ХРОМАТОГРАФИЯ Часть 2. Жидкостная хроматография.

Учебное пособие в двух частях.

М: МИТХТ им. М.В.Ломоносова, 2011 – 68 с.:ил.

Утверждено Библиотечно-издательской комиссией

МИТХТ им. М.В.Ломоносова в качестве учебного пособия. Поз.

Учебное пособие знакомит с основными методами хроматографического анализа. Эти методы широко используются для качественного и количественного анализа различных органических и неорганических

веществ. Хроматографические методы применяются при анализе пищевых продуктов, окружающей среды, лекарственных препаратов. Особое значение

приобрели эти методы для контроля производственных процессов. Достоинством этих

самостоятельной работы студентов по курсу физико-

химических методов анализа и выполнению практических лабораторных работ.

Пособие подготовлено на кафедре аналитической

химии МИТХТ им. М.В.Ломоносова.

___________________________________________

© МИТХТ им. М.В.Ломоносова, 2011

67

Содержание

1.Основные понятия………………......................... 3

2.Классификация методов в хроматографии…….8

3.Теоретические основы хроматографии ……. 12

4.Общая схема хроматографического анализа..21

5.Газовая хроматография……………………...... 27

5.1.Газожидкостная хроматография…………... 27

5.1.1.Капиллярная колонка……………………….. 37

5.1.2.Ввод пробы в капиллярную колонку ………….. 46

5.1.3.Полярность жидких фаз по Роршнайдеру..65

Приложение I …….……………………………… 67

Приложение II …………………………………… 69 Приложение III ………………………………... 71

5.2.Газо-адсорбционная хроматография…........79

5.3.Детекторы для газовой хроматографии…… 82

6. Жидкостная хроматография………………….....86

6.1Жидкостно-адсорбционная хроматография . 91

6.2.Жидкостножидкостная хроматография… 94

6.3.Ионообменная, ионная и ион-парная хроматография……….……………. 110

6.4.Линандообменная хроматография…..…… 120

6.5.Ситовая (эксклюзионная)

хроматография...……….............................................121

7.Планарная хроматография...………............... 127

8.Гибридные методы …………………………… 135

Литература……………………………………….141

66

Химия, 1976, с.216

11. Яшин Я.И. Газовая хроматография/ Яшин

Я.И., Яшин Е.Я., Яшин А.Я. - М.: ТрансЛит, 2009, с.528

12.Высокоэффективная газовая хроматография./ Под редакцией Хайвера К. -М.: МИР, 1993, с.288

13.Шингляр М. Газовая хроматография в

практике/ Шингляр М. - М.: Химия, 1964, с.196

14.Рудаков О.Б. Растворитель как средство

управления процессом в жидкостной хроматографии/

Рудаков О.Б. – Воронеж: Изд-во РГУ, 2003, с.300

15.Хубер Л. Применение диодно-матричного

детектирования в ВЭЖХ/ Хубер Л. - М.: МИР, 1993,

с.94.

16.100 лет хроматографии. / Под редакцией Руденко Б.А. - М.: Наука, 2003, с.739

3

5.2.Газоадсорбционная хроматография

Газоадсорбционная хроматография используется

реже, чем газожидкостная из-за нелинейности изотермы адсорбции.

К числу неорганических адсорбентов относят силикагель, оксид алюминия, активный уголь, графитированную сажу и молекулярные сита. В газовой хроматографии преимущественно используют

широкопористые силикагели,

Широкопористые силикагели получают из

обычного силикагеля высокотемпературной

обработкой (до 700—950°С) или гидротермальной обработкой с паром в автоклаве. Найден комплекс приемов, который позволяет получать любую разумную структуру силикагелевых адсорбентов как

для газовой, так и для жидкостной хроматографии.

Удерживание на силикагелях и на оксиде алюминия зависит от удельной поверхности, степени насыщения поверхности водой, условий предварительной термообработки, а также от свойств разделяемых соединений.

Графитированная сажа получается нагреванием сажи в атмосфере инертного газа при 3000°С.

Вследствие этого удаляются все летучие примеси, происходит перекристаллизация углерода в

кристаллы полиэдрической формы и поверхность становится почти свободной от ненасыщенных

связей, свободных радикалов и ионов. В результате

улучшается симметрия пиков. Графитированная термическая сажа является наиболее подходящим адсорбентом для разделения геометрических изомеров. Осуществляется также модификация поверхности графитированной сажи (адсорбенты

4

карбопак В и карбопак С) добавками микроколичеств

кислот типа пикриновой, фосфорной или

неподвижных фаз.

При использовании графитированной сажи реализуются наиболее существенные достоинства газоадсорбционной хроматографии по селективности и эффективности. Кроме того, на этот сорбент можно нанести небольшое количество неподвижной фазы.

Структура кристалла цеолита 4А может быть описана формулой Na12(AlO2)12 (SiO2)12 27H2O.

Рисунок 26. Анализ шотландского виски на карбопаке В + 5% карбовакса 20М. 1 – ацетальдегид; 2- метанол; 3 – этанол; 4 – этилацетат; 5 – пропанол; 6 – изобутанол; 7 – уксусная кислота; 8.9 - амиловый и изоамиловый спирты.

Диаметр пор в молекулярных ситах определяется размером атома катиона. Сама структура —

микропористая и размер пор близок к размерам малых молекул. Поэтому цеолиты пригодны для разделения газов и самых легких углеводородов.

Молекулярные сита позволяют проводить групповое разделение линейных олефинов от изо- и циклических аналогов. Цеолиты легко поглощают

7

Таблица 10. Основные типы детекторов для ГХ

Ниже рассмотрен принцип действия некоторых из детекторов.

Катарометр. В полость металлического

блока помещена спираль из металла с высоким

термическим сопротивлением. Через спираль

проходит постоянный ток, в результате чего она нагревается. Если спираль обмывает чистый газ-

носитель, спираль теряет постоянное количество

теплоты и ее температура постоянна.

Если состав газа-носителя содержит примеси,

то меняется теплопроводность газа и, соответственно, температура спирали. Это

приводит к изменению сопротивления нити, которое

измеряют с помощью моста Уитстона. При изменении состава газа, выходящего из колонки, сопротивление нитей меняется, равновесие

64

хроматографии жидкость-твердое тело?

30. Опишите механизм разделения в

хроматографии жидкость-жидкость.

31. Что вы можете рассказать о нормальнофазной и обращено-фазной жидкостной хроматографии?

32.Чем нормально-фазная хроматография отличается от хроматографии жидкость-твердое тело?

33.Как готовят сорбенты для современной

хроматографии жидкость-жидкость?

34.Какова схема современного жидкостного

хроматографа?

35.Чем схема современного жидкостного хроматографа отличается от схемы современного газового хроматографа?

36.Что представляет собой динамическое модифицирование? Почему в подвижную фазу при работе в ВЭЖХ обычно добавляют модификатор?

37.Какие условия хроматографического разделения в ионной хроматографии можно предложить для анализа катионов металлов?

38.Опишите механизм разделения в лигандообменной хроматографии.

39.Почему более правильно гель-проникающую

хроматографию называть ситовой (эксклюзионной)?

40.Каков порядок элюирования соединений в

зависимости от их молекулярной массы в ситовой

хроматографии?

41.Назовите общие положения и различия ТСХ и

ВЭЖХ.

42.Каковы достоинства высокоэффективного жидкостного хроматографа с «диодной матрицей»?

5

влагу и используются для осушки газов.

Пористые полимерные сорбенты - наиболее

распространенные сорбенты в газовой

хроматографии. Они используются для анализа широкого круга веществ от газов до высококипящих соединений. Особенно широко они применяются при анализе водных растворов. В таблице 4 приведены только два наиболее распространенных у нас пористых полимера.

Рисунок 27. Определение воды в растворителях. Колонка 2 м, диаметром 4 мм заполнена порапаком Q. Температура 220º, скорость гелия 37 мл/мин. 1 – вода; 2 - метанол; 3 – этанол; 4 – ацетон; 5 – метилэтилкетон; 6 – тетрагидрофуран; 7 – диоксан; 8 – диметилформамид.

Это порапак Q и полисорб 1. На сегодня известно

большое число подобных адсорбентов, которые выпускаются различными фирмами.

На рис. 27 показана хроматограмма определения

воды в растворителях.

6

Таблица 9. Основные адсорбенты для газовой хроматографии

*Пористый полимер, состоящий из

этилвинилбензола сшитого с дивинилбензолом.

**Пористый полимер, состоящий из cтирола

сшитого с дивинилбензолом.

5.3 Детекторы для газовой хроматографии

Детекторы реагируют на изменение состава газового потока, выходящего из колонки. Сигнал детектора поступает в компьютер (или записывается

самописцем и обсчитывается интегратором). Известно более 60 типов детекторов. Наиболее

распространены детектор по теплопроводности газа

(ДТП или катарометр), пламенно-ионизационный (ПИД), электронно-захватный (ДЭЗ). Технические

характеристики некоторых современных детекторов приведены в таблице 10.

63

13.Какой вид имеет хроматограмма в газовой

(жидкостной) хроматографии?

14.Как проводится идентификация пиков на

хроматограмме?

15.Как определить содержание компонента в смеси по хроматограмме?

16.Как происходит размывание полосы (пика) вещества в хроматографической колонке?

17.Какие виды размывания описывает уравнение

Ван-Деемтера?

18.Как определить эффективность колонки по хроматограмме?

19.Что такое капиллярная колонка?

20.Каково соотношение газовой и жидкой фазы в капиллярной и насадочной колонках?

21.Сравните эффективность капиллярной и насадочной колонок, учитывая соотношение газовой и жидкой фазы?

22.Какие критерии наиболее широко

используются в хроматографии?

23.Как рассчитывается коэффициент

селективности ?

24.Как рассчитывается критерий разделения Rs

по хроматограмме?

25.Как эти критерии связаны между собой?

26. Что понимают под относительной полярностью в газожидкостной хроматографии?

27.Какие вещества из системы Роршнайдера и Мак-Рейнольдса используются в большинстве проспектов для оценки относительной полярности

жидких фаз?

28.Опишите схему современного газового

хроматографа.

29.Опишите механизм разделения в

62

Вопросы

1.Дайте определение хроматографического

метода.

2.Изобразите схему классификации хроматографических методов.

3.Что понимают в хроматографии под подвижной и

неподвижной фазами?

4.Что отличает газовую хроматографию? Каковы

пределы определения молекулярных масс для

газовой, жидкостной и ситовой хроматографии?

5.Что отличает фронтальный и проявительный варианты хроматографического анализа?

6.В чем достоинства и недостатки прямого определения высокомолекулярных соединений по сравнению с косвенными методами?

7.Расскажите в чем заключается сущность

8.Какой вид имеет полоса вещества, которая вымывается (элюируюется) из хроматографической

колонки в проявительном варианте?

9.Что такое время (объем) удерживания?

10.Как в “реальной” хроматографии концентрация

компонента влияет на время удерживания и форму

пика?

11.Какое влияние оказывает тип изотермы адсорбции (распределения) на вид

хроматографического пика и объем удерживания?

12.Как влияет выбор твердого носителя на тип изотермы адсорбции?

7

Таблица 10. Основные типы детекторов для ГХ

Ниже рассмотрен принцип действия некоторых из детекторов.

Катарометр. В полость металлического

блока помещена спираль из металла с высоким

термическим сопротивлением. Через спираль

проходит постоянный ток, в результате чего она нагревается. Если спираль обмывает чистый газ-

носитель, спираль теряет постоянное количество

теплоты и ее температура постоянна.

Если состав газа-носителя содержит примеси,

то меняется теплопроводность газа и, соответственно, температура спирали. Это

приводит к изменению сопротивления нити, которое

измеряют с помощью моста Уитстона. При изменении состава газа, выходящего из колонки, сопротивление нитей меняется, равновесие

60

Широкое распространение газовых и жидкостных

хромато-масс-спектрометров можно выделить как

последнее достижение в области аналитической

химии.

Все большее распространение получают ИК-Фурье спектроскопия и УФ-спектроскопия с применением диодно-матричного детектирования (ДМД).

При использовании ДМД проба сканируется каждые несколько миллисекунд, т.е. спектральная

информация выдается практически постоянно.

Длина волны используется в качестве третьей координаты измерения дополнительно к координатам

времени и степени поглощения.

На сегодня этот детектор позволяет снять спектр каждого пика на хроматограмме. Найти оптимальную длину волны при детектировании. Провести идентификацию пика по спектрам, имеющимся в библиотеке. Библиотека спектров все время расширяется. В нее вносятся спектры стандартных

образцов, а также спектры, полученные экспериментально в ходе исследований. При сопоставлении спектров компонентов смеси и

спектров, имеющихся в библиотеке, компьютер определяет, соответствует ли спектр чистому

веществу или нет.

9

распространение получил ПИД. В нем ионизация

органических соединений происходит в пламени

водородной горелки (рис.29).

Этот детектор тоже достаточно универсален. Он позволяет детектировать любые вещества, имеющие С-С или С-Н связи. Однако его чувствительность по отношению к органическим соединениям различна. Она уменьшается в ряду: углеводороды > эфиры > спирты > кислоты. ПИД определяет органические

вещества при их концентрациях порядка 10-3 – 10-5 %.

Рисунок 29. Пламенно-ионизационный детектор.

1 – цилиндрическая крышка; 2 – вывод к электрометру; 3 – положительный электрод (цилиндр); 4 – сопло для подачи воздуха; 5 – водород; 6 – воздух или кислород; 7– основание детектора; 8 – подсоединение колонки; 9 – крепежная гайка; 10 –кварцевая насадка; 11 – спираль для поджига пламени; 12 – отрицательный электрод.

С помощью ПИД нельзя определять инертные

газы, водород, кислород, азот, воду, оксиды азота, углерода и серы. Сигнал ПИД пропорционален массе

10

вещества в единицу времени. При детектировании

компоненты пробы полностью разрушаются.

В основе действия детектора электронного

захвата лежит явление уменьшения ионного тока, образованного ионами газа-носителя после облучения его потоком β-частиц, испускаемых изотопом 63Ni или трития. В отсутствии определяемых веществ через измерительную ячейку протекает ток постоянной величины. Появление в газе-носителе

веществ, способных захватывать электроны с

образованием стабильных анионов, приводит к уменьшению электронного тока. Указанной

способностью обладают вещества с

электроотрицательными группами – галогенпроизводные, хиноны, нитросоединения. К ним ДЭЗ проявляет высокую чувствительность и селективность. По отношению к другим органическим соединениям - аминам, спиртам, углеводородам – он малочувствителен или нечувствителен.

К селективным детекторам относятся термоионный (ТИД), позволяющий определять N- и P- , пламенно-фотометрический (ПФД) – S- и P-

содержащие соединения, а также атомноэмиссионный (АЕД), применяемый для селективного

определения N, P, S, C, Si, Br, Cl, H (D), F,O. В

последнем случае испускаемое излучение регистрируют при помощи фотометра с диодной

линейкой, относительная погрешность определения

составляет 1%. Этот детектор особенно полезен при анализе сложных, разнородных по составу смесей. Им, например, можно определять спирты в бензине

по линии испускания атома кислорода.

59

помощью видеокамеры. При этом помимо площади

пятна, проводится учет его «объема» и яркости

окраски. Это позволяет унифицировать методики

количественного расчета и выпускаемое оборудование.

Таким образом, ВЭЖХ И ТСХ хорошо дополняют друг друга. Так, с помощью планарной хроматографии можно одновременно анализировать несколько образцов. Возможность анализа одного и

того же образца с помощью различных элюентов. При

этом доступна легкая и быстрая смена элюентов, широкий выбор растворителей. Возможность

оптимизации хроматографической системы.

Одновременно закрытость системы в ВЭЖХ позволяет более точно контролировать параметры опыта, что совершенно необходимо при идентификации сложных смесей.

8. Гибридные методы

На сегодня возникла необходимость анализа

питьевой воды, почвы, растительного сырья, пищевых продуктов и других объектов, содержащих большое число компонентов. При этом особое внимание

уделяется вопросам извлечения загрязнений из воды, воздуха, почвы. Еще большее значение приобретает

надежная идентификация компонентов из этих

сложных смесей. Поэтому очень большое значение приобретают гибридные методы, основанные на

предварительном разделении компонентов

хроматографическими методами с последующим определением и идентификацией разделенных соединений с помощью масс-спектрометрии, ИК-

Фурье спектроскопии, УФ-спектроскопии с применением диодно-матричного детектирования, ЯМР-спектроскопии и некоторых других методов.