хроматография-лекции. Хроматографические методы. Общая характеристика методов
 Скачать 6.82 Mb.
|
 Содержание1.Хроматографические методы. Общая характеристика методов. 1.1. Характеристики хроматографического разделения компонентов анализируемой смеси 1.2.Основные закономерности сорбционных процессов 1.3. Основные факторы размывания хроматографических пиков 1.4. Теория теоретических тарелок 1.5.Оценка параметров эффективности и селективности хроматографической колонки 1.6. Влияние условий анализа на эффективность разделения 2. Газовая хроматография 2.1. Схема газожидкостного хроматографа 2.2. Характеристика подвижной фазы 2.3. Хроматографические колонки 2.4. Устройства ввода пробы в хроматограф 2.5. Детекторы 2.5.1. Детекторы по теплопроводности 2.5.2. Принципы ионизационного детектирования 2.5.3. Детектор пламенно-ионизационный 2.5.4. Детектор электронного захвата 2.5.5. Термоионный детектор 2.6. Варианты метода газовой хроматографии 2.6.1. Газоадсорбционная хроматография 2.6.2. Газо-жидкостная хроматография 2.6.3. Характеристики носителя неподвижной жидкой фазы и их влияние на эффективность разделения компонентов. 2.6.4. Неподвижные жидкие фазы 2.6.5. Двумерная хроматография 3. Жидкостная хроматография 3.3. Плоскостная хроматография 3.4. Сверхкритическая флюидная хроматография 4. Капиллярный электрофорез 5. Качественный хроматографический анализ 6. Количественный анализ 7. Практическое использование хроматографии в контроле качества продукции ПРЕДИСЛОВИЕ Цель данного учебного пособия – облегчить студентам, обучающимся по специальности «Физико-химические методы и приборы контроля качества продукции», овладение основами методов, уже в настоящее время широко используемых в заводских, испытательных и исследовательских лабораториях для контроля качества сырья, готовой продукции и других объектов окружающей среды или очень перспективных для такого применения. В разделах, посвященных спектральному анализу, изложены общие положения атомной и молекулярной спектроскопии, теоретические и практические аспекты элементного анализа, основанного на использовании методов оптической и рентгеновской атомной спектроскопии, масс-спектрометрии, и люминисцентного анализа, а также методы установления молекулярной структуры вещества ИК-, масс- и ЯМР-спектроскопией. Практическое применение этих методов как в лабораторной, так и в производственной практике стремительно возрастает. Все более широкое распространение физических и физико-химических методов, в первую очередь, связано с тем, что большинство из них обладает значительно большей (на несколько порядков) чувствительностью по отношению к определяемым компонентам анализируемой продукции по сравнению с химическими методами. Благодаря этому они являются единственно способными обеспечить надежный контроль содержания в пищевых продуктах, например, токсичных элементов, остаточных лекарственных препаратов, пестицидов и других вредных компонентов; содержания и локального распределения по поверхности и толщине допирующих элементов при производстве полупроводниковых материалов и устройств, а также проверить иные самые разнообразные параметры качества продукции различного назначения. Другим преимуществом этих методов является их высокая селективность, благодаря которой при проведении анализа можно одновременно качественно и количественно определить в анализируемой пробе десятки компонентов, что значительно повышает экспрессность анализа, снижает его стоимость и предотвращает возможные потери от выпуска недоброкачественной продукции. У каждого метода существуют и другие преимущества, которые в некоторых случаях приобретают предпочтительное значение. В настоящее время разработано множество методик контроля качества разнообразых видов продукции, которые основаны на использовании физических и физико-химических методов. Рассмотреть их конкретно практически невозможно, да и не имеет смысла, поскольку каждый новый объект анализа требует конкретизации условий его проведения, что осуществляется, как правило, экспериментальным подбором. Поэтому в данном пособии изложены физические основы различных вариантов газовой и жидкостной хроматографии, разнообразных методов анализа, основанных на оптической, рентгеновской, резонансной, а также масс-спектроскопии; представлены общие данные о способах подготовки проб к анализу, виде получаемой информации и средствах ее аналитической интерпретации. В разделах, посвященных каждому из рассматриваемых методов, приведены блок-схемы соответствующих приборов и описаны функции их основных узлов. В пособии изложены также общие сведения о возможностях применения каждого из методов при контроле качества продукции. Такой подход, по мнению авторов, создаст у будущих специалистов базу для грамотного подбора и использования методов контроля качества продукции при их практической работе. В разделах, посвященных спектральному анализу, изложены общие положения атомной и молекулярной спектроскопии, теоретические основы и практические аспекты элементного анализа, основанного на использовании методов оптической и рентгеновской атомной спектроскопии, масс-спектроскопии, молекулярной спектроскопии поглощения в УФ- и видимой области, и люминесцентного анализа, а также методы установления молекулярной структуры вещества ИК-, масс- и ЯМР-спектроскопией. Авторы выражают глубокую признательность рецензентам заведующему кафедрой химии БГПУ имени Максима Танка кандидату химических наук, доценту Ф.Ф.Лахвичу и заведующему кафедрой товароведения непродовольственных товаров БГЭУ кандидату технических наук, доценту Е.В.Перминову за ценные замечания, способствосделанные при рецензировании рукописи. ВВЕДЕНИЕ Хроматография - это не наука, а - искусство! Несколько последних десятилетий можно охарактеризовать как период интенсивного развития и распространения инструментальных методов анализа, в том числе и при осуществлении контроля качества продукции. В первую очередь это относится к хроматографическим и спектральным методам анализа. В настоящее время невозможно представить не использующие эти аналитические методы даже производственные лаборатории, не говоря уже об испытательных. Это связано, в первую очередь, с усложнением задач, которые стоят перед аналитиками и обусловлены необходимостью обнаруживать и определять все меньшие количества различных веществ, находящихся в анализируемых объектах в большинстве случаев в виде сложных многокомпонентных смесей. Практически только благодаря тому, что аналитические характеристики методик анализа, основанные на использовании различных вариантов хроматографии и спектроскопии, существенно выше аналогичных показателей методик, которые базируются на классических химических методах, решение этих задач является возможным. Аналитические характеристики проводимых анализов зависят от качества получаемых результатов и качества аналитической системы. Аналитическое качество результатов определяется точностью получаемых результатов – величиной, характеризующей их правильность и воспроизводимость. Аналитическое качество системы характеризуется: – числом компонентов (элементов), которые можно определить данным методом; – долговременной стабильностью; – селективностью; – универсальностью; – чувствительностью (нижним пределом обнаружения); – диапазоном линейной зависимости аналитического сигнала от содержания определяемого компонента анализируемого вещества. Широкое распространение инструментальных методов обусловлено и тем, что развитие приборостроения привело к тому, что очень многие приборы стали достаточно доступными не только для проведения научных исследований, но и для рутинного анализа при контроле качества продукции, а их широкая компьютеризация и разработка эффективного программного обеспечения облегчила и ускорила обработку получаемой информации. Приборы, используемые в различных видах инструментального анализа, становятся все более сложными так же как и программное обеспечение для них. Однако практически любой современный аналитический прибор может быть представлен в виде блоков (модулей), предназначенных: 1) получения физической информации. В спектральных приборах это происходит путем взаимодействия с веществом внешней энергии, в результате чего возникает физическая информация в виде потока испускаемого излучения или потока частиц, в хроматографах - за счет различия в силе взаимодействия между компонентами смеси и компонентами хроматографической системы; 2) извлечения физической информации, состоящего в выделении полезного сигнала из общего объема информации, например, при помощи системы диспергирования электромагнитного излучения по длинам волн или ионного пучка по массам; 3) преобразования физической информации в электрический сигнал (силу тока или напряжение) с использованием, например, детекторов фотонов (фотоумножители, диоды, термические детекторы, мостовые измерительные схемы и т. д.) или детекторов ионов (электронные умножители, электрометры и др.); 4) обработки полученного электрического сигнала при помощи электронных устройств для получения эффективного отношения сигнал/шум и сигнала, который можно обработать с использованием программного обеспечения; 5) преобразования электрического сигнала в аналитическую информацию за счет программного обеспечения (качественный анализ, использование статистической обработки данных для построения градуировочных графиков, расчета пределов обнаружения, воспроизводимости, неопределенности и т. д.); 6) редактирования аналитической информации с использованием компьютера: составление отчета, накопление, хранение информации и ее систематизация и т. п. Спектр доступных приборов, предназначенных для осуществления того или иного метода контроля, уже в настоящее время достаточно широк. Можно смело прогнозировать расширение в ближайшее время приборного рынка как за счет многофункциональных универсальных приборов, так и за счет специализированных приборов, которые необходимы для проведения серийных рутинных анализов узкого круга объектов. При выборе приборного оснащения следует руководствоваться характеристиками приборов в двух аспектах – с точки зрения удобства их эксплуатации и с точки зрения экономичности. Высокие эксплуатационные характеристики приборов обеспечивают: – простота эксплуатации и технического обслуживания; – возможность использования проб любого типа, находящихся в любом агрегатном состоянии; – небольшой расход проб; – возможность автоматизации измерений и обработки получаемой информации; – небольшие размеры. Как высокоэкономичные характеризуются приборы, имеющие: – высокую производительность; – низкую стоимость; – высокую безопасность при эксплуатации; – низкие затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание. Таким образом данное учебного пособия позволит читателям овладеть основами методов, уже в настоящее время широко используемых в заводских, испытательных и исследовательских лабораториях для контроля качества сырья, готовой продукции и других объектов окружающей среды или очень перспективных для такого применения. 1. ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ Абсолютое большинство веществ живой и неживой природы и синтетических веществ, используемых в производстве самых разнообразных продуктов питания и непродовольственных товаров, представляют собой не индивидуальные химические соединения, а сложные многокомпонентные смеси веществ. В процессе получения готовой продукции чаще всего состав исходного сырья изменяется: в результате технологических воздействий некоторые компоненты частично или полностью исчезают, появляются новые вещества. Должное качество продукции достигается, как правило, при достаточно строгом компонентном составе получаемой продукции. К сожалению, большинство современных физических и физико-химических методов анализа, используемых для контроля компонентного состава вещества, дает аддитивную величину измеряемого аналитического сигнала, которая слагается из его величин, образуемых отдельными компонентами смеси, зачастую имеющими различную химическую природу и различное влияние на качество продукции. Это ограничивает использование таких методов для строгого контроля компонентного состава продукции и приводит к необходимости использовать те или иные методы разделения смесей веществ.  Цвет М.С. (1872-1919 г.г.) Особенно большие трудности возникают, если все компоненты разделяемой смеси образуют одну фазу. В этом случае необходимо или изменять агрегатное состояние части компонентов смеси, или добиваться изменения фазового равновесия или кинетики процесса разделения. Например, в таких методах разделения, как экстракция и ректификация, вещества, входящие в смесь, переходят через границу раздела фаз в обоих направлениях, стремясь к установлению равновесия. Эффективность разделения значительно повышается, если процесс перехода вещества из одной фазы в другую с установлением равновесия многократно повторяется. Еще более эффективно смеси веществ разделяются, если разделение смеси производить так, чтобы одна из фаз была подвижной и перемещалась отностельно другой – неподвижной. В этом случае, как и при установлении фазового равновесия, молекулы веществ, входящих в смесь, на выходе из неподвижной фазы возвращаются в нее, однако вследствие движения подвижной фазы попадают не в прежний участок объема неподвижной фазы, а в новый, ближайший по направлению движения подвижной фазы, объем. Многократное повторение элементарных актов фазовых переходов, большая поверхность раздела фаз и относительно малая толщина взаимодействующих слоев фаз обеспечивает высокую эффективность разделения многокомпонентных смесей веществ, часто обладающих близкими свойствами. Эти условия в большей мере выполняются в методе разделения смеси веществ, получившего название хроматографического и в настоящее время широко используемого на практике не только в качестве метода разделения, но и метода анализа сложных многокомпонентных смесей веществ.  Основы хроматографического метода были сформулированы в 1903 году ботаником М. . Цветом. Разработанный метод предназначалcя для разделения окрашенных биохимических объектов. Первые опыты по хроматографии, проведенные М. Цветом на смесях растительных пигментов хлорофиллинов и ксантофиллинов, состояли в использовании стеклянных колонок, заполненных мелом. При вымывании пигментов петролейным эфиром они перемещались вдоль колонки, разделяясь при этом на кольца разного цвета. Результаты этих экспериментов были опубликованы М. Цветом в статье «О новой категории адсорбционных явлений и о применении их к биохимическому анализу». Характеризуя принципы предложенного им метода, М. Цвет писал: «При фильтрации смешанного раствора через столб адсорбента пигменты расслаиваются в виде отдельных различно окрашенных зон. Подобно световым лучам в спектре, различные компоненты сложного пигмента закономерно распределяются друг за другом в столбе адсорбента и становятся доступными качественному определению. Такой расцвеченный препарат я назвал хроматограммой, а соответствующий метод анализа хроматографическим методом».  В этой формулировке М. Цвет дал достаточно четкое определение адсорбционной хроматографии, основанной на различии компонентов анализируемой смеси по сродству к выбранному адсорбенту. Он высказал идею о возможности применения для хроматографического разделения смеси веществ различий и в других свойствах компонентов, в частности в растворимости труднорастворимых осадков. Однако предложенный М. Цветом метод его современниками не был оценен и длительное время не находил использования. Расцвет и бурное развитие хроматографии начались с 1931 г., когда уже были разработаны основы теории адсорбции и ионного обмена и синтезированы новые неорганические и органические сорбенты. Развитие хроматографии связано с именами Р. Куна, Е. Ледерера, А. Винтерштейна, А. Измайлова. Усилиями этих и многих других ученых были разработаны разнообразные варианты хроматографического анализа: тонкослойная (1938 г., Н. Измайлов), бумажная (1941 г., А. Мартин, Р. Синдж), газоадсорбционная (1940), газожидкостная (1952 г., А. Мартин), капиллярная (1957 г., М. Голей), высокоэффективная жидкостная (60-е г. XIX в.), эксклюзионная (60-е г. XIX в.), ионная хроматография (1970 г., Х. Смолл, Т. Стивенс).  Однако любые варианты хроматографии, как бы далеки друг от друга они не были по внешним признакам, основываются на одном общем принципе, состоящем в распределении компонентов разделяемой смеси между двумя фазами, одна из которых неподвижна и имеет развитую поверхность, а вторая – подвижная – представляет собой поток, проходящий через слой неподвижной фазы. Неподвижной (стационарной) фазой служит твердое вещество (сорбент), пленка жидкости, нанесенная на твердое вещество (носитель), гелеобразное вещество, вещество, способное к реакциям ионного обмена или обмена другого типа. Подвижная фаза представляет собой жидкость или газ, протекающий через неподвижную фазу. Подвижная фаза (газ-носитель или жидкость) непрерывно пропускается через неподвижную фазу (колонка, сорбент и.т.д.). В этот поток дозирующим устройством вводится импульсно анализируемая смесь, которая должна быть газообразной или испаряться в дозаторе в случае газовой хроматографии, или растворяться в подвижной фазе в случае жидкостной. В процессе хроматографирования вещества, которые входят в анализируемую смесь и помещаются в большинстве случаев в заполненную неподвижной (стационарной) фазой стеклянную, металлическую или пластиковую трубку, называемую хроматографической колонкой, подвергаются одновременному воздействию двух факторов: поток подвижной фазы перемещает их по колонке, а неподвижная фаза тормозит это движение. Торможение (удерживание) каждого компонента различное и пропорционально силе его взаимодействия с неподвижной фазой. В результате этого входящие в анализируемую пробу индивидуальные вещества, слабее взаимодействующие с неподвижной фазой, перемещаются по колонке быстрее, чем более сильно взаимодействующие вещества, и в конечном итоге при подборе оптимальных условий разделения каждый компонент анализируемой смеси концентрируется в колонке в чистом виде, отдельно от других компонентов, перемещается и выходит из колонки отдельно. Основные элементы хроматографического процесса рассмотрим на примере разделения бинарной смеси в условиях колоночной жидкостной адсорбционной хроматографии. Представим себе трубку, заполненную простым адсорбентом (колонку), через которую непрерывно течет растворитель (рис. 1.)  Адсорбент (сорбент, наполнитель колонки) удерживается в колонке фильтрами, он неподвижен и поэтому называется неподвижной фазой. Растворитель, перемещающийся относительно сорбента, называется подвижной фазой (в некоторых случаях элюентом). Введем в верхнюю часть колонки по одной молекуле соединений - сорбатов, обозначенных далее Х и У (рис. 2). При движении вдоль колонки эти молекулы будут диффундировать внутри пор сорбента и, в результате межмолекулярных взаимодействий того или иного типа, адсорбироваться на поверхности неподвижной фазы. Естественно, что на практике в колонку не вводят единичные молекулы и поэтому данная картинка предельно упрощает реальную ситуацию. Если в колонку введены хотя бы несколько молекул разного вида, то обнаружим, что средние скорости перемещения молекул X и У по-прежнему различны. Помимо этого, скорости перемещения отдельных молекул каждого вида отклоняются в ту или иную сторону от среднего для данного вида значения. Молекулы сорбатов , первоначально введенные в колонку в виде мгновенного импульса, выходят из нее более продолжительно, это объясняется тем, что в ходе хроматографической миграции каждое индивидуальное вещество перемещается в направляющей системе в ограниченном (постепенно изменяющемся) объеме. Эти объемы и соответствующие им участки длины колонки, равно как пятна и полосы на хроматографической пластинке, будем ниже именовать. хроматографическими зонами, или просто зонами. Неидентичность скоростей перемещения одинаковых молекул в хроматографии называется размываниемОно связано с рядом явлений в колонке, которые подробнее рассмотрим позднее. Это нежелательное явление приводит к тому, что среди молекул У могут находиться также молекулы Х, скорость которых близка к скорости наиболее "быстрых" молекул У. В результате зоны Х и У могут частично наложиться одна на другую и разделение окажется неполным.  С помощью хроматографии могут быть решены следующие задачи: 1) разделены сложные смеси веществ на отдельные компоненты; 2) установлена идентичность и однородность химических соединений; 3) определен количественный состав сложных смесей или количественное содержание отдельных компонентов; 4) установлена молекулярная структура соединений. В отличие от других методов, основанных на распределении компонентов между фазами, таких как экстракция и сорбция, хроматография это динамический процесс, состоящий из многократных актов сорбции-десорбции компонентов, так как он происходит в потоке подвижной фазы. Такой динамический характер обеспечивает достижение значительно более высокой эффективности хроматографии по сравнению с сорбцией и экстракцией в статических условиях. В основу классификации многочисленных хроматографических методов положены следующие признаки: агрегатное состояние подвижной и неподвижной фаз, механизм взаимодействия сорбент – сорбат, форма слоя сорбента (техника выполнения), цель хроматографирования. В зависимости от агрегатного состояния подвижной фазы выделяют: По механизму взаимодействия сорбента и сорбата различают несколько видов хроматографии:  адсорбционная хроматография основана на различной способности компонентов анализируемой смеси адсорбироваться твердым сорбентом; распределительная хроматография – на различии в растворимости разделяемых веществ в неподвижной фазе (газовая хроматография) или на различии в растворимости веществ в подвижной и неподвижной жидких фазах; ионообменная хроматография – на разной способности веществ к ионному обмену; эксклюзионная (ситовая) хроматография – на различии в размерах и форме молекул разделяемых веществ; аффинная хроматография – на специфических взаимодействиях, характерных для некоторых биологических и биохимических объектов (антитело и антиген, фермент и его субстрат или ингибитор, гормон и соответствующий рецептор); осадочная хроматография – на образовании отличающихся по растворимости осадков разделяемых веществ с сорбентом; адсорбционно-комплексообразовательная хроматография – на возникновении координационных соединений разной устойчивости в фазе или на поверхности сорбента. – хемосорбционная хроматография – за счет образования водородной связи, проявления химического сродства и др. Следует подчеркнуть, что классификация хроматографических методов по механизму разделения весьма условна: часто процесс разделения протекает сразу по нескольким механизмам. Таблица 3 Варианты хроматографии, различающиеся по способу проведения
|