Логика. Лекция 12.04.21 1С текст (1). Хроматографические методы исследования
 Скачать 74 Kb.
|
|
ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В настоящее время хроматографические методы анализа широко используются в судебно-экспертной практике для определения молекулярного состава веществ. Популярность этих методов во многом связана с тем, что они, в отличие от других методов молекулярного анализа (молекулярной спектроскопии, масс-спектрометрии, рентгенографии), могут быть использованы не только для определения молекулярного состава, но и для разделения смесей, что весьма ценно при исследовании объектов судебной экспертизы. Теоретические основы хроматографии Основоположником хроматографии как аналитического метода является российский ученый-ботаник М.С. Цвет, который в 1903 г. применил ее для разделения окрашенных растительных пигментов. Хроматография – метод разделения и анализа смесей, основанный на распределении компонентов между двумя несмешивающимися фазами – неподвижной и подвижной. Неподвижная фаза – это или твердое вещество с развитой поверхностью, или пленка жидкости, нанесенная на инертный твердый носитель. Неподвижную фазу в хроматографии принято называть сорбентом. Подвижная фаза – это или газ, или жидкость. При проведении хроматографического исследования анализируемая смесь вместе с подвижной фазой пропускается через неподвижную фазу. При этом компоненты анализируемой смеси в зависимости от силы взаимодействия с неподвижной фазой перемещаются вдоль нее с разной скоростью и проходят ее за разное время. Одни компоненты сильно взаимодействуют с неподвижной фазой и передвигаются вдоль нее медленно, другие, имеющие меньшую степень взаимодействия, передвигаются быстрее, некоторые вообще не взаимодействуют с неподвижной фазой и движутся вместе с подвижной фазой. Характер взаимодействия исследуемых веществ с неподвижной фазой зависит от ее агрегатного состояния и в большинстве случаев связан или с адсорбцией исследуемых веществ, или с их растворением. Существуют и иные формы взаимодействия анализируемых веществ с неподвижной фазы, но они имеют очень ограниченное применение. Если неподвижная фаза является твердым веществом, то это взаимодействие заключается в адсорбции компонентов смеси на неподвижной фазе. Адсорбция – это физический процесс, который происходит на границе раздела фаз и состоит в накоплении одного вещества на поверхности другого (в данном случае в накоплении компонентов смеси на поверхности твердой неподвижной фазы). Твердое вещество, способное удерживать на своей поверхности молекулы других веществ, называют адсорбентом. Эта способность увеличивается, если адсорбент имеет пористую поверхность (содержит большое количество мелких пор). Таким образом, если неподвижная фаза является твердым веществом, то хроматографическое разделение основано на различных адсорбционных свойствах (различной адсорбируемости) компонентов смеси. Такие хроматографические методы принято называть адсорбционной хроматографией. Если неподвижная фаза является жидкостью, то взаимодействие исследуемых веществ с этой фазой представляет собой их растворение (распределение) в ней. В этом случае хроматографическое разделение основано на различии в растворимости компонентов смеси в неподвижной фазе. Такие хроматографические методы принято называть распределительной хроматографией. Классификация хроматографических методов анализа возможна также и по другим основаниям: агрегатное состояние подвижной фазы: газовая хроматография (подвижная фаза – газ) и жидкостная хроматография (подвижная фаза – жидкость); форма (геометрия) неподвижной фазы: колоночная хроматография (сорбент находится в трубке, называемой колонкой), планарная хроматография (сорбент имеет плоскую форму, в частности: тонкослойная хроматография – тонкий слой сорбента наносится на твердую подложку, бумажная хроматография – сорбентом является специальная бумага); цель хроматографирования: аналитическая хроматография (установление качественного и количественного молекулярного или ионного состава), препаративная хроматография (выделение веществ из смесей в значительных количествах, на порядки превышающих аналитические). Дальнейшее рассмотрение хроматографических методов анализа проводится в соответствии с их классификацией, основанной на агрегатном состоянии подвижной фазы (газовая хроматография и жидкостная хроматография). Газовая хроматография Газовая хроматография (ГХ - GC) – это хроматографические методы, в которых в качестве подвижной фазы используется газ. Поскольку исследуемые вещества при хроматографическом анализе передвигаются вместе с подвижной фазой, очевидно, что они должны также находиться в газообразном состоянии. Таким образом, метод газовой хроматографии можно применять только для газообразных веществ или для веществ, способных при нагревании перейти в газообразное состояние (испариться). Это не означает, что эти вещества обязательно должны быть легко летучими жидкостями с небольшими молекулярными массами. Так как для анализа необходимы весьма малые количества (объем проб – порядка микролитров, масса веществ в них – порядка микрограмм и менее), испаряться будут и порошкообразные вещества. Например, героин с молекулярной массой 369 успешно анализируется газохроматографическим методом. Для абсолютно нелетучих веществ необходима их предварительная модификация (получение их производных, которые способны испаряться, например, метиловых эфиров, триметилсилильных производных). Если неподвижной фазой является твердый сорбент, то хроматография называется газоадсорбционной (ГАХ - GAC), а если жидкость, нанесенная на инертный твердый носитель – газожидкостной (ГЖХ - GLC). Первая часть в названии хроматографического метода характеризует агрегатное состояние подвижной фазы, вторая – неподвижной. ГАХ по механизму взаимодействия с сорбентом относят к адсорбционной хроматографии, ГЖХ – к распределительной хроматографии. В основе разделения смесей методом газоадсорбционной хроматографии лежат различия в степени адсорбции отдельных компонентов твердым сорбентом (адсорбентом). В основе разделения смесей методом газожидкостной хроматографии лежат различия в степени растворимости (распределения) отдельных компонентов в жидком сорбенте. Эти свойства (адсорбируемость и растворимость) определяются, главным образом, молекулярной структурой соединения и связанной с ней молекулярной массой. Основным критерием выбора для анализа определенного вида ГХ является молекулярная масса исследуемых соединений. Газоадсорбционная хроматография пригодна для анализа легких соединений, таких как постоянные газы, легколетучие жидкости, например, основные компоненты спиртосодержащих жидкостей. ГЖХ пригодна для анализа более тяжелых летучих соединений, с молекулярной массой примерно до 300. Соединения с молекулярной массой больше 300, как правило, являются недостаточно летучими и анализируются методами не газовой, а жидкостной хроматографии. Приборы, на которых проводят исследования методами газовой хроматографии, называются хроматографами. Они содержат три обязательных блока: хроматографическую колонку с неподвижной фазой (сердце прибора), устройство ввода пробы (ахиллесова пята хроматографа) и детектор разделяемых веществ (мозг прибора). Основой хроматографа, обеспечивающей разделение компонентов смеси, является хроматографическая колонка. Хроматографические колонки бывают двух основных типов – насадочные и капиллярные. На начальных этапах развития хроматографии наиболее широко использовались насадочные (набивные) колонки, которые в настоящее время используются достаточно редко. Насадочные колонки представляют собой тонкие трубки, изготовленные из металла (нержавеющей стали, меди), фторопласта, стекла, имеющие диаметр 2-4 мм и длину 0,5-3 м. В газоадсорбционной хроматографии в насадочные колонки помещают неподвижную твердую фазу (адсорбент), например, силикагель, уголь, цеолит, полимерный сорбент, в газожидкостной хроматографии – инертный твердый носитель (диатомитовый кирпич) с тонким слоем жидкой фазы (полисилоксаны, полиэфиры, полиспирты). В настоящее время в газовой хроматографии используют, в основном, капиллярные колонки, которые представляют собой кварцевые капилляры диаметром 0,1-0,5 мм и длиной до 100 м. Для газоадсорбционной хроматографии капиллярные колонки наполняются адсорбентом (силикагель, уголь, цеолит, полимерный сорбент) или слой адсорбента закрепляется на внутренней поверхности капилляра. В капиллярных колонках для газожидкостной хроматографии внутренняя поверхность капилляров покрывается тонкой пленкой неподвижной жидкой фазы (толщиной 0,1-5 мкм). В качестве неподвижной жидкой фазы используют полисилоксаны, полиэфиры, полиспирты. Главным преимуществом капиллярных колонок по сравнению с насадочными является более эффективное разделение компонентов смеси. Подвижной фазой в газовых хроматографах служит инертный газ (газ-носитель), протекающий через неподвижную фазу, обладающую большой поверхностью. В качестве подвижной фазы используют водород, гелий, азот. Газ-носитель не взаимодействует с разделяемыми веществами и неподвижной фазой. В газовых хроматографах газ-носитель подается из баллона или из генератора чистого газа под определенным давлением. Скорость потока в колонке зависит от типа и сечения колонки. Для насадочных колонок этот параметр измеряется в миллилитрах в минуту и составляет величину порядка 20–50 мл/мин. Для капиллярных колонок с нанесенным слоем сорбента единицей измерения является сантиметр длины колонки в секунду, а величина его порядка 10–30 см/сек. Устройство ввода проб в газовых хроматографах служит для перевода пробы в газообразное состояние и представляет собой испаритель (печь) с регулируемой температурой. Проба в испаритель вводится микрошприцем (вручную или с помощью автоматического дозатора). Объем пробы – порядка нескольких микролитров. Проба должна испариться практически мгновенно, иначе пики на хроматограмме будут расширяться, и снизится точность анализа. Для качественного и количественного определения состава объектов судебной экспертизы в хроматографах чаще всего используют следующие детекторы: масс-спектрометр, который в последнее время существенно утратил статус самостоятельного прибора и является основным типом хроматографического детектора; катарометр – детектор по теплопроводности, принцип действия которого основан на изменении сопротивления материала от температуры. Металлическая спираль (нить накаливания), через которую проходит постоянный ток, помещается на пути газов, выходящих из колонки хроматографа. Если спираль омывается потоком чистого газа-носителя, имеющим постоянную теплопроводность, то ее температура, а, следовательно, и сопротивление также имеют постоянное значение. Если же в газ-носитель добавляются компоненты исследуемой смеси, то его теплопроводность меняется, и соответственно меняются температура и сопротивление спирали. По изменению сопротивления спирали судят об изменении состава газов, выходящих из колонки хроматографа. Катарометр является универсальным, но малочувствительным детектором, реагирующим на любые соединения, теплопроводность которых отличается от теплопроводности газа-носителя. Используется достаточно редко, в основном для регистрации воды и постоянных газов. пламенно-ионизационный детектор (ПИД) основан на том, что выходящий из колонки газ смешивается с водородом и поступает в горелку детектора, которая находится между двумя электродами. Образующиеся в пламени ионизированные частицы заполняют межэлектродное пространство, в результате чего сопротивление снижается, а ток резко усиливается. ПИД реагирует практически на все соединения, кроме водорода, инертных газов, кислорода, азота, воды, оксидов азота, сероуглерода, так как эти вещества не ионизуются под действием пламени. Кроме того, в газовой хроматографии распространены детекторы, селективные к различным классам соединений: термоионный для азот- и фосфорсодержащих соединений, электронозахватный для анализа галоген- и нитросоединений, пламенно-фотометрический для соединений серы и фосфора. Результат исследования методом хроматографии регистрируется в виде аналитической кривой – хроматограммы. Хроматограмма – зависимость концентрации компонентов на выходе из колонки от времени выхода. Время выхода определенного компонента в хроматографии принято называть временем удерживания. Абсолютное или полное время удерживания компонента отсчитывается от момента ввода пробы в хроматограф до момента выхода компонента из колонки. Количество компонентов в анализируемом объекте определяется по числу пиков на хроматограмме, а их содержание – по площади под пиком или по его высоте. В экспертной практике методы ГХ применяются при решении следующих экспертных задач: определение вида наркотических средств и содержания наркотически активных компонентов; определение классификационной категории лекарственных препаратов и установление содержания активных компонентов; установление соответствия ГОСТу спиртосодержащих жидкостей (по содержанию спирта и микропримесей); установление вида и марки нефтепродуктов; установление классификационной категории растворителей и технических жидкостей; определение содержания в воздухе органических микропримесей веществ, вредных для здоровья человека; установление времени исполнения записи по содержанию летучих компонентов материалов письма (например, паст шариковых ручек); установление вида полимеров и композиционных материалов на их основе (например, резин), и соответствия их состава утвержденной рецептуре (используется вариант реакционной хроматографии – пиролитическая газовая хроматография). |