Исследований
 Скачать 2.52 Mb.
|
|
Рентгеноструктурный анализ позволяет определять ориен- тацию и размеры кристаллов, их атомное и ионное строение, изу- чать изменения, происшедшие в материалах под влиянием давле- ния, температуры, влажности. Рентгенографические методы относятся к неразрушающим и по- зволяют исследовать монокристаллы и поликристаллические ве- щества (в том числе и сложных смесей с содержанием компонента не менее 3–5 % мол.). Рентгенографические методы применяют в экспертной практике для решения следующих задач. 1. Установление классификационной категории объектов су- дебной экспертизы: • кристаллических веществ неустановленной природы; • лакокрасочных материалов (определяется фазовый состав наполнителей, пигментов, сиккативов); • взрывчатых веществ (как правило, неорганической при- роды); • синтетических наркотических и лекарственных средств (опре- деляется фазовый состав наполнителей и активных веществ); 1 Криминалистическая техника: Учебник. М.: Юрлитинформ, 2002. С. 30. 8.7. Рентгенографические методы • бумаги (определяется фазовый состав содержащихся в ней минеральных веществ: каолинит, тальк, слюда и др.); • металлов и сплавов; • ювелирных камней; • почвы (определяется минералогический состав); • строительных материалов; • парфюмерно-косметических изделий. 2. Установление источника происхождения. 3. Установление способа изготовления. 4. Установление причины пожара, взрыва, автотранспортно- го происшествия по разрушениям материалов. 134 ЛЕКЦИЯ 9 Хроматографические методы исследования 9.1. Основные принципы хроматографии Хроматография — это экспрессный и чувствительный анали- тический метод исследования газообразных, жидких и твердых веществ с относительной молекулярной массой от 1 до 106. Это могут быть изотопы водорода, ионы металлов, полимеры, белки, жиры, нефть и др. С помощью хроматографии можно получить ин- формацию о строении и свойствах многих классов органических соединений, проводить разделение и определение качественного и количественного состава сложных смесей 1 Хроматографические методы анализа сложных смесей основаны на раз- деления веществ между двумя фазами — неподвижной и подвижной. Неподвижная (стационарная) фаза — твердое вещество (его часто называют сорбентом) или пленка жидкости, нанесенная на твер- дое вещество. Подвижная фаза — жидкость или газ, протекающий через не- подвижную фазу. Компоненты анализируемой смеси вместе с подвижной фазой передвигаются вдоль неподвижной (стационарной) фазы, которую обычно помещают в стеклянную или металлическую трубку, назы- ваемую колонкой. В зависимости от силы взаимодействия с по- верхностью сорбента компоненты перемещаются вдоль колонки с разной скоростью. Одни компоненты остаются в верхнем слое сорбента, другие, с меньшей степенью взаимодействия с сорбен- том, оказываются в нижней части колонки, некоторые покидают колонку вместе с подвижной фазой. 1 Основы аналитической химии: Учебник для вузов / Под ред. Ю. А. Золо- това. Кн. 2. Методы химического анализа С. 298. 135 9.1. Основные принципы хроматографии Хроматографическое разделение проводят в трубках, заполнен- ных сорбентом, в капиллярах длиной в несколько десятков метров, на пластинках, покрытых тонким слоем и на бумаге. Классификация хроматографических методов основана на сле- дующих признаках: агрегатное состояние фаз, механизм взаимо- действия сорбента с веществом, форма слоя сорбента, цель хрома- тографирования 1 (табл. 23). Таблица 23. Классификация хроматографических методов по разным основаниям Основание Классификация хроматографических методов по агрегатному состоянию подвижной фазы газовая и жидкостная хроматография по механизму взаимодействия сорбента с веществом • адсорбционная хроматография, основанная на раз- личии в адсорбируемости веществ твердым сорбентом; • распределительная хроматография, основанная на различии в растворимости разделяемых веществ; • эксклюзивная хроматография, основанная на раз- личии в размерах и формах молекул разделяемых веществ; • ионообменная хроматография, основанная на разной способности веществ ионному обмену; • афинная хроматография, основанная на специ фи- ческих взаимодействиях, характерных для некоторых биологических и биохимических процессов. Разделение по механизму весьма условно, т. к. часто процесс разделения протекает сразу по нескольким механизмам. по технике выполнения • — колоночная хроматография — разделение проводят в специальных колонках; • — капиллярная хроматография — разделение проводят в капиллярах длиной несколько десятков метров; • — тонкослойная хроматография — разделение проводят на пластинках в тонком слое сорбента; • — бумажная хроматография — разделение проводят на специальной бумаге. 1 Основы аналитической химии. Кн. 2. Методы химического анализа. С. 302. 136 Лекция 9 Основание Классификация хроматографических методов по цели хрома- тогра фирования • аналитическая хроматография — качественный и количественный анализ; • препаративная хроматография — для получения веществ в чистом виде, концентрирования и выде- ления микропримесей; • промышленная хроматография — для разделения веществ в производстве. 9.2. Газовая хроматография В газовой хроматографии (ГХ) в качестве подвижной фазы ис- пользуется газ. Если неподвижной фазой является твердый сорбент, то хро- матография называется газо-адсорбционной (ГАХ), а если жид- кость, нанесенная на неподвижный носитель, — то газожидкостной (ГЖХ). Первое слово в названии метода характеризует агрегат- ное состояние подвижной фазы, второе — неподвижной. ГАХ и ГЖХ по механизму взаимодействия с сорбентом относят к адсорбционной хроматографии. Адсорбционная хроматография впервые была использована русским ученым-ботаником М. С. Цветом для разделения окра- шенных веществ. В общепринятом смысле адсорбент — это твер- дое вещество, способное удерживать на своей поверхности мо- лекулы; эта способность особенно ярко выражена в тех случаях, когда поверхность сорбента содержит большое количество мел- ких пор. В основе разделения методом адсорбционной хроматографии лежат различия в степени адсорбции данных веществ адсорбен- том и их взаимодействием с соответствующей подвижной фазой. Эти свойства определяются в основном молекулярной структу- рой соединения. Основным критерием использования определенного вида ГХ является молекулярная масса исследуемых соединений: в случае газо-адсорбционной хроматографии — это круг соединений от по- стоянных газов до спиртосодержащих жидкостей, т. е. легкие ле- тучие вещества; в случае ГЖХ — более тяжелые летучие соеди- нения с молекулярной массой примерно до 300. 137 9.2. Газовая хроматография Хроматографию проводят на приборах — хроматографах, содер- жащих два основных блока — хроматографическую колонку с не- подвижной фазой и детектор разделяемых веществ (рис. 35) 1 Рис. 35. Схема газовой хроматографии Неподвижной фазой является твердый носитель: силикагель, уголь, пористое стекло, оксид алюминия, карбонат кальция и др. Подвижной фазой служит инертный газ (газ-носитель), проте- кающий через неподвижную фазу, обладающую большой поверх- ностью. В качестве подвижной фазы используют водород, гелий, азот, аргон, углекислый газ. Газ-носитель не взаимодействует с раз- деляемыми веществами и неподвижной фазой. В газовых хроматографах газ-носитель подается из баллона под определенным давлением. Скорость потока составляет в зави- симости от размера колонки, как правило, 20–50 мл / мин. Жидкие пробы вводят специальными шприцами (0,5-20 мкл) в поток га- за-носителя (в испаритель). Проба должна испариться практиче- ски мгновенно, иначе пики на хроматограмме будут расширяться, и снизится точность анализа. Разделение проводят на насадочных (набивных) или капилляр- ных колонках, изготовленных из нержавеющей стали, меди, деде- рона, стекла. Насадочные колонки имеют диаметр 2–6 мм и длину 1 URL: www.agilent.com.mx / labs / features / 2011_101_bio.html 138 Лекция 9 0,5–20 м. В колонки помещают неподвижную фазу: в ГАХ это ад- сорбент, а в ГЖХ — носитель с тонким слоем жидкой фазы. Капиллярные колонки внутри покрыты тонкой пленкой непо- движной жидкой фазы (0,01–1 мкм). Диаметр капилляров состав- ляет 0,2–0,5 мм, длина до 100 м 1 . Преимущество капиллярных колонок в более быстром и эффективном разделении веществ. Для качественного и количественного определения состава объ- ектов судебной экспертизы в хроматографах чаще всего использу- ют следующие детекторы: • катарометр — детектор по теплопроводности. Температура спирали, через которую проходит постоянный ток, в чистом газе- носителе (гелий или водород) постоянна, а если газ-носитель со- держит примеси, его теплопроводность меняется и соответственно меняется температура спирали; • пламенно-ионизационный детектор (ПИД) — выходящий из ко- лонки газ смешивается с водородом и поступает в форсунку горел- ки детектора. Образующиеся в пламени ионизированные частицы заполняют межэлектродное пространство, в результате чего со- противление снижается, а ток резко усиливается. ПИД реагирует практически на все соединения, кроме водорода, инертных газов, кислорода, азота, оксидов азота, серы, углерода и воды. Широко используется для анализа следовых количеств веществ 2 Кроме того, в качестве детектора используют ИК-спектрофо- тометр и масс-спектрометр. Количество компонентов в анализируемом объекте определя- ется по числу пиков на регистрируемой аналитической кривой — хроматограмме, а их содержание (в процентах) — по измерению площади под пиком. В экспертной практике методы ГХ применяются при реше- нии следующих экспертных задач 1 : • определение вида наркотических средств и содержания нар- котически активных компонентов; • определение классификационной категории лекарственных препаратов и установление содержания активных компонентов; 1 Основы аналитической химии. Кн. 1. Общие вопросы. Методы разделе- ния. С. 335. 2 Там же. С. 337. 139 9.3. Жидкостная хроматография • установление соответствия ГОСТу спиртосодержащих жид- костей (по содержанию спирта и микропримесей); • установление вида и марки нефтепродуктов; • установление классификационной категории растворителей и технических жидкостей; • определение содержания в воздухе органических микропри- месей веществ, вредных для здоровья человека; • установление времени исполнения записи по содержанию ле- тучих компонентов материалов письма (паст шариковых ручек); • установление вида полимеров и композиционных материалов на их основе (например, резин) и соответствия их состава утвер- жденной рецептуре (используется вариант реакционной хрома- тографии — пиролитическая газовая хроматография). 9.3. Жидкостная хроматография В жидкостной хроматографии в качестве подвижной фазы ис- пользуется жидкость. В зависимости от агрегатного состояния не- подвижной фазы различают жидкостно-жидкостную (распредели- тельную), жидкостно-твердофазную (жидкостно-адсорбционную) хроматографию. По технике выполнения различают планарную (в т. ч. тонко- слойную) и колоночную (в т. ч. высокоэффективную) ЖХ. Подвижную фазу, вводимую в слой неподвижной фазы, назы- вают элюентом, а подвижную фазу, выходящую из колонки и со- держащую разделенные компоненты, — элюатом (рис. 36). Жидкостная адсорбционная хроматография применима для разделения более широкого круга веществ, чем метод ГХ, поскольку большинство веществ не обладает летучестью, мно- гие из них не устойчивы при высоких температурах и разлагаются при переведении в газообразное состояние. Особенности всех ви- дов ЖХ обусловлены наличием жидкой подвижной фазы. В зависимости от полярности неподвижной и подвижной фаз жидкостную адсорбционную хроматографию разделяют на нор- мально-фазовую (НФХ — полярный сорбент и неполярная подвиж- ная фаза) и обращенно-фазовую (ОФХ — неполярный адсорбент и полярная подвижная фаза). В обоих случаях выбор подвиж- ной фазы часто важнее, чем выбор неподвижной. Неподвижная фаза 140 Лекция 9 Рис. 36. Схема жидкостной хроматографии Рис. 37. Жидкостная хроматография на колонке должна удерживать разделяемые вещества. Подвижная фаза, т. е. растворитель, должна обеспечить эффективное разделение за при- емлемое время. В классическом варианте ЖХ в стеклянную колонку длиной 1–2 м, заполненную сорбентом (размер частиц ≥ 100 мкм), вводят анализируемую пробу и пропускают элюент. Скорость прохожде- ния элюента под действием силы тяжести мала, а продолжитель- ность анализа значительна (рис. 37). Современный вариант — ВЭЖХ (высокоэффективная жидкост- ная хроматография) основан на использовании сорбентов с раз- мером зерен 10–30 мкм, поверхностно- и объемно-пористых сор- бентов с размером частиц 5–10 мкм, нагнетательных насосов и чувствительных детекторов. Образец, растворенный в жидкой фазе, вводится в поток жидко- сти с помощью специального устройства — инжектора. Процесс разделения основан на различии в физико-химических свойствах разделяемых компонентов. Перемещение подвижной фазы в ВЭЖХ обеспечивают насосы высокого давления (рис. 38 1 ). 1 URL: donaulab.ru/keywords/preparativnaya-hromatografiya/ 141 9.3. Жидкостная хроматография Рис. 38. Хроматограф для препаративной ВЭЖХ Для определения выходящих из колонки разделенных компо- нентов используют различного типа детекторы. Очень часто детек- тирование осуществляют в проточной ячейке путем непрерывно- го контроля оптических (поглощение, флуоресценция, показатель преломления) или электрохимических (электропроводность и т. п.) свойств элюата (рис. 39 1 ). Рис. 39. Хроматограмма разделенной смеси веществ 1 URL: k323108.narod.ru/hplc.htm 142 Лекция 9 Содержание анализируемых веществ в исследуемых объектах может быть определено по измерению площади под пиком регистриру- емой аналитической кривой для каждого элюируемого вещества. Преимущества ВЭЖХ по сравнению с ГХ: • возможность исследования практически любых объектов без огра- ничений их по таким показателям, как температура кипения и мо- лекулярная масса; • почти все исследования можно проводить при температурах, близких к комнатной, что дает возможность исследования лабиль- ных соединений; • гибкость в выборе условий разделения (вариации подвижной фазы) приводит к более селективному разделению компонентов, чем в ГХ; • можно препаративно выделить из сложной смеси в мягких условиях чистые вещества, которые далее можно исследовать дру- гими методами; • чувствительность, достигаемая в ВЭЖХ, в ряде случаев пре- восходит чувствительность в ГХ; • высокоселективные детекторы позволяют определять микро- количества веществ в сложных смесях. ВЭЖХ используется в судебной экспертизе, для выделения и ана- лиза для широкого круга объектов: это наркотические средства, ле- карственные препараты, взрывчатые вещества, нефтепродукты и др. 9.4. Тонкослойная хроматография (ТСХ) Тонкослойная хроматография (ТСХ) — это разновидность ж ид костной адсорбционной хроматографии, в которой подвижная фаза перемещает- ся по слою неподвижной фазы, нанесенной тонким слоем на пластинку, за счет капиллярных сил. Благодаря простоте использования и информативности ТСХ широко используется для определения наркотиков, лекарствен- ных средств, взрывчатых веществ, красителей, пищевых продук- тов, ССЖ и др., а также для сравнения структурно-группового со- става объектов при идентификационных исследованиях. 143 9.4. Тонкослойная хроматография (ТСХ) При ТСХ слой адсорбента наносят на стеклянные (пластиковые или из металлической фольги) пластинки. В отличие от коло- ночной хроматографии применяемые в ТСХ адсорбенты содержат связывающие агенты, например, сернокислый кальций, способст- вующие фиксации слоя на поверхности пластинки. Пластинки, содержащие слой адсорбента 0,25 мм, используют- ся для качественного анализа исследуемых проб, а для препара- тивного разделения смесей веществ используют пластинки с слоем адсорбента до 5 мм. Пробу в виде пятна (для качественного анализа) или полоски (для препаративного анализа) наносят на пластинку при помощи микропипетки, капилляра или шприца на расстоянии приблизи- тельно 2,5 см от нижнего края и таком же расстоянии от одной из боковых сторон. На одну пластинку можно при сравнительном исследовании нанести несколько проб на расстоянии не менее 1 см друг от друга. После нанесения пробы высушивают для удаления растворителя и при необходимости наносят в точку новую пор- цию пробы (концентрируют). Разделение проводят в стеклянной камере. На дно наливают растворитель (подвижную фазу) слоем толщиной 1,5 см, затем закрывают стеклянной крышкой и оставля- ют на 1 ч. для насыщения камеры парами растворителя. Помеща- ют в камеру вертикально пластинку, чтобы место нанесения проб было несколько выше уровня растворителя, и накрывают камеру крышкой. Растворитель поднимается вверх по пластинке, и таким образом происходит разделение (рис. 40) 1 Рис. 40. Тонкослойная хроматография на пластинке с силикагелем 1 URL: hapoelta-fc.co.il / wp-content / gallery / r20 / picture-of-chromatography 144 Лекция 9 Эффективность разделения можно повысить с помощью двух- мерной хроматографии. В этом случае пробу наносят в виде от- дельного пятна в нижний угол пластинки и проводят разделение в одном направлении. Затем пластинку вынимают из камеры, вы- сушивают, после чего хроматографируют в другой системе раство- рителей в направлении, перпендикулярном первому. Многие фирмы выпускают пластинки для ТСХ, адсорбент ко- торых содержит флуоресцирующее вещество. После разделения пластинки просматривают в УФ-свете, и отдельные компоненты выявляются в виде темных пятен (синих, зеленых). Если адсорбенты не содержат красителей, то положение соедине- ний на пластинке определяют другими методами: опрыскивают пластинку 50 %-ным спиртовым раствором серной кислоты и при по- следующем нагревании большинство соединений обугливаются, образуя коричневые пятна (универсальный метод), или опрыскива- ют специфическими соединениями, взаимодействующими с опре- деляемыми реагентами с образованием окрашенных соединений (нингидрин, йод и др.). Люминесцирующие вещества обнаружива- ют на пластинке при просмотре в УФ-свете. Основная характеристика метода ТСХ — это относительная хрома- тографическая подвижность зоны (пятна) (Rf), которая определя- ется как отношение расстояния, пройденного пятном от старта, к расстоянию, пройденному фронтом растворителя. |