Н. И. Царев, В. И. Царев, И. Б. Катраковпрактическаягазоваяхроматография
 Скачать 1.41 Mb.
|
|
1 Н.И. Царев, В.И. Царев, И.Б. Катраков ПРАКТИЧЕСКАЯ ГАЗОВАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ Учебно-методическое пособие для студентов химического факультета по спецкурсу «Газохроматографические методы анализа» Издательство Алтайского государственного университета Барнаул • 2000 2 БК 543 УДК 543.544.25 (07) Царев H.И., Царев В.И., Катраков И.Б. Практическая газовая хроматография: Учебно-методическое пособие для студентов химическо- го факультета по спецкурсу «Газохроматографические методы анализа». — Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2000. − 156 с. Представленное пособие является основой спецкурса «Газохроматографи- ческие методы анализа», проводимым с 1991 года на кафедре органической хи- мии Алтайского государственного университета. В сборнике представлены мето- дические материалы по газожидкостной хроматографии. В сборнике использован опыт проведения и организации аналогичного курса в Московском институте повышения квалификации специалистов химиче- ской промышленности и его Дзержинском филиале, а так же современные на- правления в газохроматографическом анализе. В первой части (главы I-III) изложены материалы по основам газовой хроматографии, аппаратурному оснащению метода, перечислены факторы, влияющие на хроматографическое разделение веществ. Во второй части (главы IV-V) рассмотрены приемы качественного и количественного анализа, приведены практические работы. Предназначено для студентов химических факультетов университетов, медико-биологических специальностей медицинских университетов. Табл. 12. Рис. 34. Библиогр.: 18 назв. Прилож. 3. Р е ц е н з е н т ы : Карташов В.А., доктор фарм. наук, профессор, зав. кафедрой фармацевтической химии АГМУ Долматова Л.А., канд. хим. наук, научный сотрудник Института водных и экологических проблем СО РАН (г. Барнаул) Печатается по решению кафедры органической химии. Утверждено на заседании кафедры « 13 » апреля 2000 года Царев Н.И., Царев В.И., Катраков И.Б., 2000 Алтайский государственный университет, 2000 3 Гл ава I. ВВЕДЕНИ Е В Г АЗО ВУ Ю ХРОМ АТ ОГР АФИЮ 1.1 ОСНОВЫ МЕТОДА Хроматография [гр. сhrömatos − цвет + graphö − пишу] — метод разделения, анализа и физико-химических исследований веществ, осно- ванный на перемещении зоны вещества вдоль слоя сорбента в потоке подвижной фазы с многократным повторением сорбционных и десорб- ционных актов. При этом разделяемые вещества распределяются между двумя несмешивающимися фазами (в зависимости от их относительной растворимости в каждой фазе): подвижной и неподвижной. Газовая хроматография хроматография, в которой подвижная фаза находится в состоянии газа или пара инертный газ (газ-носитель). Неподвижной фазой (НЖФ) является высокомолекулярная жидкость, закрепленная на пористый носитель или на стенки длинной капиллярной трубки. Газовая хроматография универсальный метод разделения сме- сей разнообразных веществ, испаряющихся без разложения. При этом компоненты разделяемой смеси перемещаются по хроматографической колонке с потоком газа-носителя. По мере движения разделяемая смесь многократно распределяется между газом-носителем (подвижной фазой) и нелетучей неподвижной жидкой фазой, нанесенной на инертный мате- риал (твердый носитель), которым заполнена колонка. Принцип разделе- ния неодинаковое сродство веществ к летучей подвижной фазе и ста- ционарной фазе в колонке. Компоненты смеси селективно задерживаются последней, поскольку растворимость их в этой фазе различна, и таким образом разделяются (компонентам с большей растворимостью требуется большее время для выхода из жидкой фазы, чем компонентам с меньшей растворимостью). Затем вещества выходят из колонки и регистрируются детектором. Сигнал детектора записывается в виде хроматограммы авто- матическим потенциометром (самописцем) или же регистрируется ком- пьютером. Хроматография один из наиболее распространенных физико- химических методов исследования. Хроматографические методы широко 4 используются в химии и биохимии, находят применение в химической, нефтехимической, металлургической, фармацевтической, пищевой и дру- гих отраслях промышленности. С повышением экологических требова- ний к среде обитания, продуктам питания, лекарствам естественно нахо- дят свое отражение в исследовании охраны окружающей среды и меди- цине, а также в других областях науки и промышленности. Круг решае- мых задач и практическое использование хроматографии непрерывно расширяется. 1.2 ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ГАЗОВОГО ХРОМАТОГРАФА Газовый хроматограф представляет собой прибор, использующий принцип хроматографии в системах газ − адсорбент или газ − жидкость. В аппаратурном оформлении это совокупность нескольких самостоятель- ных, параллельно функционирующих систем: источник газа-носителя и блок подготовки газов, испаритель, термостат колонок и сами хромато- графические колонки, детектор, система регистрации и обработки дан- ных. Типичная блок-схема газового хроматографа изображена на рисунке 1. Система подготовки газов служит для установки, стабилизации и очистки потоков газа-носителя и дополнительных газов. Она включает блок регулировки расходов газов, обеспечивающий очистку, подачу и стабилизацию скорости и расхода газа-носителя в ко- лонку, а также других газов, необходимых для работы де- тектора, например, воздуха и водорода для пламенно- ионизационнго детектора. Система дозирования позволяет вводить в поток газа-носителя определенное количество анализируемой смеси в газообразном или Рисунок 1 − Принципиальная схема газового хроматографа: 1 – система подготовки газов; 2 – система дозирования; 3 – колонка; 4 – система тер- мостатирования; 5 – система детектирования; 6 – блок питания детектора; 7 – усилитель сигнала детектора; 8 – регистратор (самописец, компьютер); 9 – измерители режима хро- матографа (расход газов, стабилизация температур и электрического питания детекторов) Газовые функциональные связи показаны стрелками, электрические – одинарной ли- нией, термостатируемые элементы заключены в пунктирный контур. 9 1 2 5 6 7 8 3 4 Проба 5 жидком состоянии. Представляет собой устройство с самоуплотняющей- ся резиновой мембраной или кран-дозатор. Устройство ввода пробы не- обходимо термостатировать при температуре, равной температуре ко- лонки или выше на 20 − 30 ° С. Система детектированияпреобразует соответствующие изме- нения физических или физико-химических свойств бинарных смесей (компонент — газ-носитель по сравнению с чистым газом носителем) в электрический сигнал. Величина сигнала зависит как от природы компо- нента, так и от содержания его в анализируемой смеси. Система термостатирования служит для установки и поддер- живания рабочих температур термостатов колонок (до 350 ° С), испарите- ля, детектора и других узлов хроматографа. Система регистрации преобразует изменения физико- химических параметров в электрический сигнал, величина и форма кото- рого регистрируются на ленте самописца или в современном варианте − на мониторе компьютера. Прибор должен быть снабжен соответствую- щим электрометрическим усилителем, обеспечивающим получение на выходе электрического сигнала, пропорционального концентрации опре- деляемого компонента в газе-носителе, выходящем из колонки. Система инструментальной обработки данных позволяет вести управление экспериментом и обработку результатов в диалоговом режи- ме. С помощью компьютерных программ, имеющих алгоритм распозна- вания и сформированных банков данных, можно решать задачи расшиф- ровки сложных хроматограмм и количественного определения компо- нентов. Рассмотренная схема типична для обычного газового хроматогра- фа, используемого в количественном анализе, однако газовый хромато- граф может иметь гораздо более сложную схему, содержащую несколько колонок и детекторов, включающий автоматические устройства для под- готовки и дозирования пробы. Помимо этих общих основных элементов дополнительное оснаще- ние газового хроматографа определяется его назначением: он может слу- жить в качестве универсального аналитического прибора, для изучения физико-химических величин, в качестве универсального аналитического анализатора для контроля за составом смесей и для регулирования произ- водственного процесса или в качестве анализатора элементного состава органических соединений. Во всех случаях для надежного функциониро- вания прибора необходимо подбирать соответствующие газы, параметры электрической схемы, насадочные или капиллярные колонки, приспособ- ления для закрепления колонок в термостате и устройства для отбора и внесения проб в дозатор. 6 1.3 СУЩНОСТЬ И КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ХРОМАТОГРАФИИ В основу той или иной классификации хроматографических мето- дов могут быть положены различные характерные признаки процесса. При этом следует учитывать, что существуют промежуточные варианты, не укладывающиеся в рамки строгой классификации. Более того, именно такие промежуточные варианты часто оказываются весьма перспектив- ными и даже единственно возможными для решения сложных задач ана- лиза. Разнообразные варианты хроматографии укладываются в относи- тельно простую схему классификации в зависимости от используемой подвижной фазы и характера межмолекулярных взаимодействий (табл. 1 − 3). Таблица 1 − Классификация вариантов хроматографии по фазовым состояниям Подвижная фаза Неподвижная фаза Название метода Газ Адсорбент Жидкость Газоадсорбционная Газожидкостная Жидкость Адсорбент Жидкость Жидкостно-адсорбционная Жидкость-жидкостная Газ или пар в сверхкри- тическом состоянии Адсорбент Жидкость Флюидно-адсорбционная Флюидно-жидкостная Коллоидная система Сложная композиция твердых и жидких ком- понентов Полифазная хроматография Таблица 2 − Варианты хроматографии по характеру взаимодействий Механизм процесса разделения Вариант хроматографии По размеру молекул Ситовая За счет физической адсорбции или рас- творения Молекулярная За счет ионного обмена Ионообменная За счет водородных связей, химиче- ского сродства и др. Хемосорбционная В зависимости от способа перемещения сорбатов вдоль слоя сор- бента различают: проявительный (элюационный), фронтальный, вытес- нительный методы и электрохроматографию. 7 Таблица 3 − Варианты хроматографии по способу проведения процесса Способ проведения Вариант хроматографии В цилиндрическом слое сорбента Колоночная В слое сорбента на плоской поверхности Планарная В пленке жидкости или слое сорбента, размещенном на внутренней стенке трубки Капиллярная В полях электрических, магнитных, цен- тробежных и других сил Хроматография в полях сил Проявительный (элюационный) метод заключается в том, что сорбаты переносятся через сорбционный слой потоком вещества (элюен- та), сорбирующегося хуже любого из сорбатов. В ходе проявительного анализа разделенные компоненты анализируемой смеси выходят из хро- матографической колонки в потоке элюента отдельными зонами, между которыми (при достаточно четком разделении) из колонки выходит чис- тый элюент. Основные преимущества проявительного метода заключаются в следующем: 1) при выборе соответствующих условий компоненты могут быть, практически полностью, изолированы друг от друга и будут находиться лишь в смеси с элюентом; 2) сорбент непрерывно регенерируется элюентом, поэтому после выхода наиболее сильно сорбирующегося компонента пробы может быть немедленно начато исследование следующей смеси; 3) если концентрация исследуемого компонента соответствует ли- нейному участку изотермы сорбции, то время элюирования компонента при заданных условиях является постоянной величиной, которая может быть использована для целей идентификации. К недостаткам метода относится необходимость использования значительных количеств элюента. Проявительный анализ можно проводить как при постоянной тем- пературе (изотермическая хроматография), так и при изменении темпера- туры сорбента в процессе анализа по заданной программе (хроматогра- фия с программированием температуры). В последнем случае изменяется сорбционная емкость сорбента. Фронтальный метод заключается в непрерывном пропускании исследуемой смеси через слой сорбента. При этом на сорбенте образуют- ся зоны, содержащие последовательно увеличивающееся число компо- нентов, а из колонки вначале выходит порция наименее сорбирующегося вещества. Фронтальный анализ применялся на ранних стадиях развития 8 хроматографии, когда еще не были достаточно разработаны методы де- тектирования. В настоящее время он используется редко и практически совсем не применяется для целей количественного анализа. Это объясня- ется тем, что при фронтальном анализе ни один из компонентов смеси не отделяется полностью от остальных. Если после полного проявления концентрационного профиля при фронтальном анализе прекратить пода- чу пробы и начать промывку колонки чистой подвижной фазой, то фрон- тальный анализ превратится в вариант проявительной хроматографии с очень большой пробой. Кривая элюирования будет повторять в обратном порядке кривую фронтального анализа; последняя ступень будет соответствовать относи- тельно чистому последнему (наиболее сильно удерживаемому) компо- ненту. Вытеснительный метод заключается в переносе разделяемой смеси потоком вещества (вытеснителя), сорбирующегося сильнее любого из компонентов смеси. В ходе вытеснительного анализа образуются от- дельные примыкающие друг к другу зоны компонентов, которые распо- лагаются в порядке увеличения их сорбируемости. Порядок элюирования компонентов характеризует их физико-химические свойства, а ширина полосы (не высота!) пропорциональна концентрации данного компонен- та. Вытеснительный анализ как метод разделения имеет весьма огра- ниченное применение и крайне редко используется в количественном анализе. Это объясняется тем, что в результате описанного процесса не получается дискретных локальных полос индивидуальных соединений. Электрохроматография — хроматографический процесс, при ко- тором движение заряженных частиц осуществляется под действием при- ложенного напряжения. Скорость движения частиц определяется их мас- сой и зарядом. В зависимости от природы процесса, обусловливающего распреде- ление сорбатов между подвижной и неподвижной фазами, различают адсорбционную, распределительную, ионообменную, осадочную, аф- финную и эксклюзионную хроматографию (табл. 2). Элементарным актом в адсорбционной хроматографии является адсорбция; разделение основано на различии в адсорбируемости компо- нентов смеси на данном адсорбенте. В распределительной хроматографии растворение; разделение основано на различии в растворимости сорбатов в подвижной и непод- вижной фазах или на различии в стабильности образующихся комплек- сов. 9 В ионообменной хроматографии на различии констант ионооб- менного равновесия. В осадочной хроматографии на различной растворимости осад- ков в подвижной фазе. В аффинной — на биоспецифическом взаимодействии компонен- тов с аффинным лигандом, ковалентно связанным с нерастворимым но- сителем. Лигандами могут выступать, например, ингибиторы, кофакто- ры, субстраты, а носителями силикаты, полиалкиламиды, декстрины, целлюлоза, хитин, крахмал. В эксклюзионной хроматографии разделение основано на разли- чии в проницаемости молекул разделяемых веществ в неподвижную фазу (в случае гель-хроматографии неподвижной фазой служит гель) и обу- словлено размерами этих молекул. Компоненты элюируются в порядке уменьшения их молекулярной массы. К промежуточным методам относится хроматография на модифи- цированном сорбенте (газо-жидко-твердофазная), основанная на том, что неподвижной фазой служит твердый адсорбент, модифицированный не- большим количеством жидкости. В этом случае играют роль как адсорб- ция на поверхности газ − твердое тело (и, в определенной степени, — на поверхности жидкость − твердое тело), так и растворимость в жидкости. Существуют и другие промежуточные варианты. Жидкостная хроматография — хроматографический процесс, в котором подвижной фазой является жидкость (табл. 1). В жидкостно- жидкостной хроматографии и подвижной и неподвижной фазами явля- ются жидкости. В жидкостно-адсорбционной хроматографии неподвижной фазой служит твердый адсорбент, а подвижной — жидкость. В зависимости от цели проведения хроматографического процесса различают аналитическую, неаналитическую, препаративную и промыш- ленную хроматографию. Аналитическая хроматография предназначена для определения качественного и количественного состава исследуемых смесей. Сущест- вуют два основных метода хроматографического определения состава смесей: 1) метод выходной кривой, основанный на непрерывном опреде- лении свойства выходящего из колонки потока как функции времени или объема пропущенного вещества; 2) метод слоя, заключающийся в определении изменения свойства смеси по длине сорбционного слоя. 10 Неаналитическая хроматография — метод исследования физико- химических характеристик веществ при использовании хроматографиче- ской аппаратуры и на основании параметров хроматографических зон. Препаративную хроматографию применяют для выделения не- больших количеств чистых компонентов в лабораторных условиях. Промышленную хроматографию используют для получения чис- тых веществ в значительных количествах. Разумеется, приведенная выше классификация хроматографиче- ских методов не может считаться исчерпывающей. Так в газовой хрома- тографии широкое распространение получили комплексные (гибридные) методы. Из них наиболее важными являются реакционная (реакторная) газовая хроматография (сочетание химических превращений и хромато- графического процесса) и хромато − масс-спектрометрия (последователь- ное соединение хроматографической колонки и масс-спектрометра с по- лучением полных или частичных масс-спектров для каждого из компо- нентов исследуемой смеси). Поскольку настоящий курс посвящен газовой хроматографии, сле- дует кратко отметить особенности этого метода. К достоинствам газовой хроматографии можно отнести: 1) возможность идентификации и количественного определения индивидуальных компонентов сложных смесей; 2) возможность изучения различных свойств веществ и физико- химических взаимодействий в газах, жидкостях и на поверхности твер- дых тел; 3) высокую четкость разделения и быстроту процесса, обуслов- ленную низкой вязкостью подвижной фазы; 4) возможность использования микропроб и автоматической запи- си получаемых результатов, обусловленную наличием высокочувстви- тельных и малоинерционных приборов для определения свойств элюата; 5) возможность анализа широкого круга объектов — от легких га- зов до высокомолекулярных органических соединений и некоторых ме- таллов; 6) возможность выделения чистых веществ в препаративном и промышленном масштабе. |