Царев Н.И., Царев В.И., Катраков И.Б. 2000 Практическая газовая хроматография. Царев Н.И., Царев В.И., Катраков И.Б. 2000 Практическая газовая. 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. |