Экстракционно - фотометрический метод анализа. Лекция Физ-Хим Методов. Курс лекций Рекомендовано научнометодическим советом Федерального государственного образовательного учреждения высшего
 Скачать 1.26 Mb.
|
|
16.3. Теоретические представления в хроматографии. Известно не- сколько теорий хроматографического процесса. Существенное значение имеют метод теоретических тарелок и кинетическая теория. В методе теоретических тарелок хроматографическая колонка мысленно делится на ряд элементарных участков- «тарелок», и пред- полагается, что на каждой тарелке очень быстро устанавливается равновесие между сорбентом и подвижной фазой. Каждая новая пор- ция газа-носителя вызывает смещение этого равновесия, вследствие чего часть вещества переносится на следующую тарелку, на которой, в свою очередь, устанавливается новое равновесное распределение и происходит перенос вещества на последующую тарелку. В результате этих процессов хроматографируемое вещество распределяется на не- скольких тарелках, причем на средних тарелках его концентрация оказывается максимальной по сравнению с соседними тарелками. Та- ким образом, теория тарелок позволяет рассчитать важные количест- венные характеристики хроматографического процесса. Однако тео- рия тарелок, основанная на допущении ступенчатого характера хро- матографического процесса, по существу формальна, так как реаль- ный процесс протекает непрерывно. Значение высоты, эквивалентной 124 теоретической тарелке, и число тарелок являются характеристиками размытости зон. Эти величины сохраняют свое значение и в кинети- ческой теории хроматографии, учитывающей скорость миграции ве- щества, диффузию и другие факторы. Кинетическая теория хроматографии основное внимание уде- ляет кинетике процесса, связывая высоту, эквивалентную теоретиче- ской тарелке, с процессами диффузии, медленным установлением равновесия и неравномерностью процесса. Высота, эквивалентная теоретической тарелке, связана со скоростью потока уравнением Ван- Деемтера: CU U B A H , где А, B, и С – константы; U – скорость подвижной фазы. Константа А связана с действием вихревой диффузии, которая зависит от размера частиц и плотности заполнения колонки, величина В связана с коэффициентом диффузии молекул в подвижной фазе, это слагаемое учитывает действие продольной диффузии, а С характери- зует кинетику процесса сорбция-десорбция, массопередачу и другие эффекты. Первое слагаемое дает постоянный вклад в Н. Вклад второ- го слагаемого существен при небольшой скорости потока. С увеличе- нием скорости подвижной фазы влияние третьего слагаемого возрас- тает, а доля второго уменьшается. Суммарная кривая, характеризую- щая зависимость Н от скорости потока, представляет собой гипербо- лу. При небольшой скорости потока высота, эквивалентная теорети- ческой тарелке, уменьшается, а затем начинает возрастать. Поскольку эффективность колонки тем выше, чем меньше высота, эквивалент- ная теоретической тарелке, оптимальная скорость подвижной фазы будет равна скорости, соответствующей точке минимума этой кри- вой. Таким образом, динамическая теория дает основу для оптимиза- ции хроматографического процесса. 16.4. Основные узлы приборов. Отечественная промышленность и зарубежные фирмы выпускают большое количество хроматографов самых различных типов. Для проведения хроматографического раз- деления методами бумажной, тонкослойной и некоторыми другими видами хроматографии используются простые установки, которые могут быть собраны в любой химической лаборатории. Независимо от сложности устройства основными узлами хроматографической ус- тановки являются дозатор (система ввода пробы), хроматографиче- ская колонка и детектор. Кроме того, в установке имеются устройства 125 для подачи газа-носителя или растворителя, для преобразования им- пульса детектора в соответствующий сигнал и некоторые другие. Дозатор предназначен для точного количественного отбора пробы и введения ее в хроматографическую колонку. Одним из ос- новных требований к дозатору являются воспроизводимость размера пробы и постоянство условий ее введения в колонку. Кроме того, введение пробы не должно вызывать резкого изменения условий ра- боты колонки и других узлов хроматографической установки, а внут- ренняя поверхность дозатора не должна обладать каталитической или адсорбционной активностью по отношению к пробе. Газообразные и жидкие пробы обычно вводят с помощью спе- циальных шприцев, прокалывая в месте ввода пробы каучуковую мембрану. Нередко в лабораторной практике в качестве дозатора применяется медицинский шприц. Твердые пробы вводятся в хроматограф или после перевода их в раствор, или непосредственным испарением пробы в нагретом доза- торе, куда она вводится с помощью игольного ушка. В хроматографической колонке происходит разделение компо- нентов. Колонки весьма различны по форме, размерам и конструкци- онным материалам. Применяются прямые, спиральные и другие ко- лонки длиной от 1…2 м и менее до нескольких десятков метров. Внутренний диаметр колонок составляет обычно несколько милли- метров. В зависимости от свойств анализируемой системы в качестве конструкционных материалов для колонок чаще всего используют сталь, латунь, медь, стекло и др. Материал колонки должен обладать определенной химической инертностью по отношению к компонен- там пробы. Адсорбент, наполняющий колонку, должен обладать рядом свойств: необходимой селективностью, достаточной механической прочностью, химической инертностью к компонентам смеси и быть доступным. Выбор адсорбента зависит от агрегатного состояния фаз, методики хроматографирования и других факторов. Детектор предназначен для обнаружения изменений в составе газа, прошедшего через колонку. Показания детектора обычно преоб- разуется в электрический сигнал и передаются фиксирующему или записывающему прибору. Основными характеристиками детектора являются чувствительность, пределы детектирования, инерционность и диапазон линейной зависимости между концентрацией и величиной сигнала. Детекторы подразделяются на дифференциальные, которые 126 отражают мгновенное изменение концентрации, и интегральные, суммирующие изменение концентрации за некоторый отрезок време- ни. 16.5. Общая характеристика метода. Хроматография является эф- фективным методом разделения и анализа сложных по составу газо- образных и жидких смесей. Твердые вещества могут быть проанали- зированы после перевода их в жидкое (растворенное) или газообраз- ное состояние. Качественный и количественный анализ проводится по характеристикам удерживания. Универсальность газовой и газо- жидкостной хроматографии значительно возрастает при сочетании хроматографического разделения и анализа компонентов масс- спектральным или иным подходящим методом. Жидкостная распре- делительная хроматография особенно эффективна при разделении веществ, близких по химическим свойствам, например, аминокислот. В органическом и биохимическом анализе большое значение имеет бумажная хроматография – простейший вариант хроматогра- фического метода, обладающий высокой чувствительностью. Более воспроизводимые результаты дает тонкослойная хроматография, ши- роко применяемая в анализе лекарств, биохимических проб и различ- ных природных объектов. Ионообменная хроматография ценна как метод разделения сложных смесей ионов и как метод концентрирова- ния микропримесей. Успешно развиваются также новые хроматогра- фические методы, например, высокоэффективная жидкостная. Контрольные вопросы 1. В чем сущность методов хроматографии? 2. Какие ионообменные смолы применяют в хроматографии? 3. Какие устройства используются в качестве дозаторов? 4. Почему избегают наносить большое количество пробы при хроматографировании? Практическое задание: найдите число теоретических тарелок в ко- лонке длиной 2 м, если при t R =25 мин пик имеет ширину 40 с. Рас- считайте значение Н. Лекция № 17 ВИДЫ ХРОМАТОГРАФИИ План 17.1. Газовая хроматография. 17.2. Жидкостно-адсорбционная хроматография. 127 17.3. Тонкослойная хроматография. 17.4. Жидкостно-жидкостная хроматография. 17.5. Высокоэффективная жидкостная хроматография. 17.6. Гель-хроматография. 17.7. Ионообменная хроматография. 17.8. Ионная хроматография. 17.1. Газовая хроматография. Наиболее важные хроматографиче- ские методы – газо-адсорбционная и газо-жидкостная хроматография. При газовой хроматографии происходит распределение компонентов анализируемой смеси между газообразной и твердой или жидкой фа- зами. В установке для газовой хроматографии используют твердый инертный пористый носитель, в газожидкостной хроматографии он покрыт тонким слоем жидкой фазы. Жидкая или твердая фазы непод- вижны. Подвижной фазой служит газ-носитель, в котором содержит- ся анализируемая проба. При выполнении газовой хроматографии в нагретый до опреде- ленной температуры поток газа-носителя вводят анализируемую про- бу. Вещества пробы испаряются и вместе с потоком газа поступают в термостатированную колонку с неподвижной фазой (адсорбентом). В колонке протекают многократные процессы адсорбции и десорбции на твердом носителе или растворения и выделения в жидкой пленке смеси газообразных веществ. Разделение сложной смеси здесь зави- сит от коэффициентов адсорбции или распределения анализируемых веществ между фазами. На выходе из колонки смесь разделяется на индивидуальные вещества, поступающие с потоком газа на детектор. В газовой хроматографии существует два различных механизма удерживания компонентов пробы с твердой фазой (газотвердофазная хроматография, ГТХ) или с неподвижной жидкой фазой (газожидко- стная хроматография, ГЖХ), которая может быть нанесена на твер- дый носитель (промежуточный вариант). Эти механизмы действуют и в жидкостной хроматографии (ЖХ), но, помимо того, разделение мо- жет быть также обусловлено взаимодействием между растворителем и растворенными компонентами пробы. В качестве газа-носителя в хроматографии выбирают инертные газы, не взаимодействующие с парами веществ: азот, диоксид угле- рода, гелий, аргон, водород. При выборе газа-носителя учитывают тип детектора. Если применен катарометр, то используют газы с вы- 128 сокой теплоемкостью (гелий и водород), обеспечивающие высокую чувствительность детектора. Газ-носитель перед подачей в хроматограф высушивают и осво- бождают от примесей. Адсорбенты для газо-твердой хроматографии должны иметь развитую мелкопористую поверхность и определен- ную степень дисперсности. Наиболее подходящий размер зерен ад- сорбента 0,1…0,5 мм. В качестве адсорбентов обычно применяют си- ликагель с пористостью 300…600 м 2 /г, активированный уголь − 700…1000, оксид алюминия − 100…300 м 2 /г. Адсорбент подвергают специальной подготовке и очистке. Силикагель обрабатывают рас- твором NaOH для удаления кислот и высушивают при 400…50O 0 C. Оксид алюминия, искусственные и природные силикаты и алюмоси- ликаты (цеолиты) промывают от примесей и высушивают. В газо-жидкостной хроматографии жидкая фаза находится на твердом носителе. Твердые носители должны иметь малую (микро) пористость (до 20 м 2 /г), которая мешает четкому разделению (вхож- дение части жидкой фазы в микропоры). Наиболее удобны в качестве твердых носителей различные модифицированные кремнеземы. На- пример, хроматон получают методом кальцинирования кремнезема, формуя затем из него шарики диаметром 0,1...0,2 мм, хезасорб гото- вят из кизельгура, сферохром − из силикатов. Иногда применяют но- ситель из обожженной дробленой глины (кирпич), промытой и обра- ботанной соответствующим способом. В качестве неподвижной жидкой фазы применяют многие жид- кости. Они должны быть инертными по отношению к компонентам смеси, носителю, термически стойкими, обладать малой вязкостью и незначительной летучестью, иметь достаточную растворяющую спо- собность по отношению к компонентам определяемой газовой смеси. В качестве жидкой фазы часто используют диглицерол для разделе- ния спиртов, фенолов, ароматических анионов; эвтектическую смесь NaNO 3 , KNO 3 и LiNO 3 − для высокотемпературных опытов; апиезон (фракция нефти) − для разделения углеводородов; силиконовые по- лимеры (CKTB, HCKT и др.), обладающие высокой термической ус- тойчивостью. Практическое применение. Широкое применение и большое значение газовой хроматографии в практике вызвано тем, что с ее помощью можно идентифицировать отдельные компоненты сложных газовых смесей и определять их количественно, выполнение анализа не требует больших затрат времени, и метод является достаточно 129 универсальным. Методом газовой хроматографии анализируют неф- тяные и рудничные газы, воздух, продукцию основной химии, нефть и продукты ее переработки. Хроматография газов используется в биологии и медицине, в технологии переработки древесины, в лесохимии и пищевой про- мышленности. 17.2. Жидкостно-адсорбционная хроматографиябыла первым серьезно изученным хроматографическим аналитическим методом, предназначенным для выделения природных соединений, таких, как растительные «пигменты», из растворов. Позднее интерес к жидкост- ной хроматографии надолго угас из-за стремительного развития газо- вой хроматографии. Однако в последнее время благодаря примене- нию принципиально новых конструкторских разработок началось ее возрождение. Основное преимущество жидкостной хроматографии перед газо- вой − возможность осуществлять разделение при более низких темпера- турах, интервал которых ограничивается лишь точками кипения и за- мерзания растворителя. Это означает, что жидкостная хроматография позволяет разделять термически неустойчивые соединения, например, белки, которые нельзя испарить без разрушения. Жидкостная хроматография была открыта раньше газовой, но лишь в последние годы она вступила в период исключительно интен- сивного развития. По степени разработки теории хроматографическо- го процесса и техники инструментального оформления, по эффектив- ности и скорости разделения жидкостная хроматография вряд ли ус- тупает методу газохроматографического разделения. Однако каждый из этих двух основных видов хроматографии имеет свою преимуще- ственную область применения. Если газовая хроматография пригодна главным образом для анализа, разделения и исследования химиче- ских веществ с молекулярной массой 500…600, то жидкостная хро- матография может быть использована для веществ с молекулярной массой от нескольких сот до нескольких миллионов, включая пре- дельно сложные макромолекулы полимеров, белка и нуклеиновых кислот. В жидкостной хроматографии по характеру взаимодействий, протекающих в слое сорбента, различают восемь вариантов, которые, в свою очередь, можно объединить в две основные группы: молеку- лярную и хемосорбционную хроматографии. К первой группе отно- сят молекулярно-ситовую (гель-фильтрационную), адсорбционно- 130 жидкостную и жидкостно-жидкостную (распределительную) хрома- тографии. Для этих вариантов жидкостной хроматографии характер- но проявление относительно слабых взаимодействий в системе сор- бат-сорбент-растворитель. Ко второй группе принадлежат ионооб- менная, комплексообразовательная, осадочная, окислительно- восстановительная и аффинная (биоспецифичная) хроматографии с характерными для них достаточно сильными взаимодействиями меж- ду сорбатом и сорбентом. 17.3. Тонкослойная хроматография (ТСХ). Метод ТСХ, получив- ший в настоящее время широкое распространение, был разработан Н. Измайловым и М. Шрайбер в 1938 году. В методе ТСХ неподвижная твердая фаза тонким слоем нано- сится на стеклянную, металлическую или пластмассовую пластинку. В 2…3 см от края пластинки на стартовую линию вносят пробу ана- лизируемой жидкости и край пластинки погружают в растворитель, который действует как подвижная фаза ЖАХ. Под действием капил- лярных сил растворитель движется вдоль слоя сорбента и с разной скоростью переносит компоненты смеси, что приводит к их про- странственному разделению. Диффузия в тонком слое происходит в продольном и поперечном направлениях, поэтому процесс следует рассматривать как двумерный. Основные элементы установок ТСХ. Подложки для сорбента (пла- стинки) обычно изготовляют из стекла, алюминиевой фольги или поли- эфирной пленки. Одно из достоинств пленки состоит в том, что она про- зрачна примерно до 320 нм и это позволяет проводить прямое фотомет- рирование многих веществ непосредственно в слое. Сорбент может быть нанесен на подложку в виде пасты (закреп- ленный слой), тонкого порошка (незакрепленный слой) или быть приго- товленным при обжиге силикагеля на стеклянной пластине. В качестве сорбента в ТСХ применяют силикагели, оксид алю- миния, крахмал, целлюлозу и некоторые другие вещества с высокой адсорбционной способностью. Эффективно применяются в качестве сорбентов жидкие иониты и вещества, обладающие ионообменными свойствами и свойствами молекулярных сит. Выбор растворителя зависит от природы сорбента и свойств анализируемых соединений. Часто применяют смеси растворителей из двух или трех компонентов. В восходящей хроматографии растворитель поднимается снизу вверх под действием капиллярных сил, в нисходящей – растворитель 131 передвигается по слою вниз под действием и капиллярных и гравита- ционных сил. Горизонтальная хроматография выполняется в виде круговой и со свободным испарением растворителя. В круговой хро- матографии в центр горизонтально установленной пластинки вносят каплю анализируемой смеси и непрерывно подают растворитель, ко- торый под действием капиллярных сил движется в радиальном на- правлении от центра. Компоненты смеси располагаются в слое в виде концентрических колец. По окончании хроматографирования непроточным методом зо- ны на хроматограмме проявляют химическим или физическим спосо- бом. При химическом способе пластинку опрыскивают раствором ре- актива, взаимодействующего с компонентом смеси. После проявле- ния хроматограммы приступают к идентификации веществ и даль- нейшему анализу. 17.4. Жидкостно-жидкостная хроматография. ЖЖХ по сути близка к газожидкостной хроматографии. На твердый носитель также нано- сится пленка жидкой фазы, и через колонку, наполненную таким сор- бентом, пропускают жидкий раствор. Жидкость, нанесенную на но- ситель, называют неподвижной жидкой фазой, а растворитель, пере- двигающийся через носитель, – подвижной жидкой фазой. ЖЖХ мо- жет проводиться в колонке (колоночный вариант) и на бумаге (бу- мажная хроматография). Колоночный вариант. Разделение смеси веществ основываются на различии коэффициентов распределения вещества между несме- шивающимися растворителями. Поиск несмешивающихся фаз, обеспечивающих разделение, обычно производится эмпирически на основе экспериментальных данных. Широкое применение в ЖЖХ получили тройные системы, состоящие из двух несмешивающихся растворителей и третьего, рас- творимого в обеих фазах. Такие системы позволяют получать набор несмешивающихся фаз различной селективности. Хотя в качестве подвижной и неподвижной фаз выбираются растворители, не смешивающиеся между собой, все же во многих системах наблюдается некоторая взаимная растворимость. Чтобы предотвратить процессы взаимного растворения жидкостей в ходе хроматографирования, подвижную жидкую фазу предварительно на- сыщают неподвижной. Эффективность колонки связана с вязкостью, коэффициентом диффузии. С уменьшением вязкости подвижной фазы сокращается 132 продолжительность анализа, но с увеличением вязкости несколько возрастает эффективность. Носитель неподвижной фазы должен обладать достаточно раз- витой поверхностью, быть химически инертным, прочно удерживать на своей поверхности жидкую фазу и не растворяться в применяемых растворителях. Бумажная хроматография. В бумажной хроматографии приме- няют специфический носитель, позволяющий обходиться без колон- ки. Таким носителем является специальная хроматографическая бу- мага. Хроматогафическая бумага должна быть химически чистой, нейтральной, инертной по отношению к компонентам раствора и подвижному растворителю и быть однородной по плотности. Имеют значение также такие свойства, как структура молекул целлюлозы в бумаге, набухаемость, ориентация волокна и другие, влияющие на скорость движения растворителя и на иные характеристики процесса. Для разделения водорастворимых веществ в качестве подвиж- ной фазы обычно берут органический растворитель, а в качестве не- подвижной фазы – воду. Если вещество растворимо в органических растворителях, вода используется уже в качестве подвижной фазы, а органический растворитель является неподвижной фазой. По технике выполнения различают следующие виды бумажной хроматографии: одномерную, двумерную, круговую и электрофоре- тическую. Для получения двумерных хроматограмм хроматографи- рование производят дважды во взаимно противоположных направле- ниях. Весьма эффективным оказалось сочетание хроматографии и электрофореза, т.е. получение электрофоретических хроматограмм на бумаге. Воздействие электрического поля можно использовать или одновременно с хроматографированием, или последовательно, т.е. сначала провести электрофорез, а затем хроматографирование. Методами распределительной жидкостной хроматографии ус- пешно анализируют смеси катионов в неорганическом качественном анализе, смеси аминокислот и других органических кислот, смеси красителей. |