3. Хроматографические методы анализа

3.1. Введение в хроматографию

Хроматография – динамический метод разделения смесей на компоненты при прохождении их в составе подвижной фазы через слой неподвижной фазы с последующим определением этих компонентов химическими или инструментальными методами.

Подвижной фазой может быть жидкость (раствор анализируемой смеси компонентов) или газ (смесь газов или паров веществ). Неподвижной фазой служит твердое вещество или жидкость, адсорбиро-ванная на твердом веществе – носителе.

Согласно основному закону хроматографии любая жидкая или газообразная смесь веществ разделяется в процессе движения ее через слой неподвижной фазы, если существуют различия во взаимодействии между компонентами смеси и этой фазой. Чем сильнее сродство компонента к неподвижной фазе, тем сильнее он взаимодействует с ней и дольше удерживается, следовательно, его продвижение в подвижной фазе происходит медленнее, чем в случае слабовзаимодействующего вещества.

3.2. Классификация хроматографических методов анализа

Хроматографические методы анализа можно классифицировать раз-личными способами: в зависимости от природы сорбционного процесса, по агрегатному состоянию фаз, способу их относительного перемещения, аппаратурному оформлению процесса и т.д. Наиболее распространены классификации различных видов хроматографии по механизму процесса, типу подвижной фазы, способу осуществления (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Вариант классификации хроматографических методов анализа

По механизму		По типу подвижной фазы	По способу осуществления
Адсорб- ционная	Молекулярная	Газовая	К
		Жидкостная	К, К-К
	Ионообменная	Жидкостная	К
Распределительная		Газовая	К, К-К
		Жидкостная	К, Б, Т
Осадочная		Жидкостная	К, Б, Т
Эксклюзионная		Жидкостная	К

Сокращения: К – колоночная; К-К – капиллярно-колоночная; Б – бумажная; Т – тонкослойная.

По признаку природы явлений, лежащих в основе разделения, хроматографию подразделяют на четыре основных вида: адсорбционная, распределительная, осадочная и эксклюзионная.

В основе адсорбционной хроматографии лежит адсорбция разделя-емых веществ на твердой поверхности выбранного адсорбента. Адсорбция может быть обусловлена или физическими ван-дер-ваальсовыми силами межмолекулярного взаимодействия в системе «адсорбат – адсорбент» (молекулярная хроматография) или силами химического сродства, дей-ствующими в процессе ионного обмена (ионообменная хроматография). В обоих случаях главным условием для осуществления разделения должно быть различие энергии адсорбции разделяемых веществ, что равносильно различию коэффициентов адсорбции.

В основе распределительной хроматографии лежит различная растворимость разделяемых веществ в жидкости. Разделение протекает на границе двух фаз, несмешивающихся между собой, – неподвижной (жид-кости) и подвижной (жидкости или газа), поэтому процесс разделения определяется различием коэффициентов распределения разделяемых веществ между обеими фазами.

В основе осадочной хроматографии лежит образование нераство-римых соединений в результате химических реакций разделяемых веществ с реактивом-осадителем.

Эксклюзионная хроматография представляет собой жидкостную хроматографию, основанную на различной способности молекул разного размера проникать в поры неионогенного геля, который служит неподвижной фазой.

Внутри каждого вида хроматографии по мере их развития возникали и продолжают возникать различные варианты или разновидности. Так, адсорбционная и распределительная хроматографии могут осуществляться на колонках, фильтровальной бумаге, тонком слое сорбента, нанесенном на стеклянную пластинку; колонки могут иметь различную форму и конструкцию. В зависимости от этих факторов различные варианты получают соответствующие названия: колоночная, бумажная, тонкослойная и т.д. (см. табл. 3.1).

По способу относительного перемещения фаз различают фронталь-ную, элюентную (проявительную) и вытеснительную хроматографию. Принцип осуществления этих процессов показан на рис. 3.1.

Фронтальная хроматография наиболее проста в исполнении. Через хроматографическую колонку с сорбентом непрерывным потоком пропус-кают раствор исследуемой смеси веществ или газовую смесь. В результате сорбент насыщается компонентами смеси. Если компоненты различаются по сорбируемости, то соответственно этому они располагаются в колонке. Наиболее слабо сорбирующийся компонент движется вдоль слоя сорбента впереди всех. За ним в непосредственном контакте следует зона, содержащая первый и второй компоненты. Третья зона содержит смесь первого, второго и третьего компонентов и т.д. В некоторый момент времени сорбент насыщается и наступает «проскок», т.е. из колонки начинает выходить первый, наиболее слабо сорбирующийся компонент. Получаемая выходная кривая (рис. 3.1) будет ступенчатой по числу разде-ляемых компонентов смеси. Фронтальный способ не нашел широкого применения, поскольку он не обеспечивает полного разделения смеси.

Элюентный (проявительный) способ выгодно отличается от фрон-тального тем, что позволяет полностью разделить многокомпонентную смесь. В этом способе исследуемую смесь вводят в колонку в виде порции раствора или газа, а не непрерывно, как при фронтальном способе. Затем колонку промывают расторителем или газом-носителем (проявляют). Выходная кривая (рис. 3.1) имеет ряд пиков, число которых соответствует числу разделенных компонентов.

Вытеснительный способ отличается от фронтального и элюентного тем, что после введения пробы исследуемой смеси колонку промывают растворителем или газом-носителем, к которым добавлено растворимое вещество (в жидкофазной хроматографии) или вещество в газообразном (парообразном) состоянии (в газовой хроматографии). Это вещество долж-но адсорбироваться сильнее любого из компонентов разделяемой смеси и называется вытеснителем, поскольку, обладая наибольшей адсорбируе-мостью, оно вытесняет менее адсорбируемые компоненты. Благодаря эффекту адсорбционного вытеснения происходит выделение компонентов из адсорбента в последовательности, соответствующей их адсорбируемос-ти. Этот способ позволяет полностью разделить смесь на компоненты и в отличие от элюентного не приводит к разбавлению получаемых растворов.

Рис. 3.1. Схемы протекания процесса при различных способах хроматографического разделения (А и В – разделяемые вещества, Е – растворитель, D – вытеснитель): а – кривые распределения концентрации С разделяемых веществ на слое сорбента в колонке в зависимости от длины слоя х; б – кривые распределения концентрации С на выходе из колонки в зависимости от объема V, пропущенного через колонку элюента (хроматограммы)

По сочетанию агрегатных состояний подвижной и неподвижной фаз различают: газоадсорбционную и жидкостно-адсорбционную хромато-графию (неподвижная фаза – твердая), газожидкостную и жидкостно-жидкостную хроматографию (подвижная фаза – жидкая).