МЕТОДЫ АНАЛИЗА ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПРОДУКТОВ

ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТАВА И СВОЙСТВ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПРОДУКТОВ

Хроматография — процесс разделения, в котором определяемое соединение распределяется между подвижной (жидкой или газовой) и неподвижной (твердой или жидкой) фазами. При этом происходит концентрирование разделяемых веществ. Хроматографические методы широко используются в анализе эксплуатационных продуктов (ЭП) благодаря своей универсальности, высокой избирательности и чувствительности аналитических определений. При этом из одной пробы возможно определение всех компонентов смеси, их фракционного состава, влагосодержания, различных присадок, примесей, смол и оценка стабильности ЭП.

Среди различных вариантов хроматографии широко применяются высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ), газожидкостная (ГЖХ), гель-проникающая и планарная хроматография.

Высокоэффективная жидкостная хроматография

В жидкостной хроматографии подвижной фазой является жидкость. Круг анализируемых объектов включает как летучие, так и нелетучие вещества.

Особенности различных вариантов жидкостной хроматографии обусловлены физико-химическими свойствами жидкой подвижной фазы. При этом селективность определяется природой подвижной (элюент) и неподвижной (адсорбент или жидкость) фаз. Большой выбор элюентов позволяет в широком диапазоне варьировать параметры удерживания и селективность хроматографической системы. Некоторые жидкостные хроматографы предусматривают применение градиентного элюирования.

В настоящее время применение сорбентов с размерами зерен 10—30 мкм, поверхностно- и объемно-пористых сорбентов с размерами частиц 5-10 мкм, нагнетательных насосов и высокочувствительных детекторов обусловило переход к высокоэффективной жидкостной хроматографии.

Широкое применение ВЭЖХ в аналитической практике привело к дальнейшему развитию хроматографических методов анализа. Быстрый массоперенос при высокой эффективности разделения позволяет использовать ВЭЖХ для разделения и определения веществ, содержащих нейтральные молекулы (адсорбционная и распределительная хроматография), ионов (ион-парная хроматография), а также высокомолекулярных соединений по фракциям (эксклюзионная хроматография).

В адсорбционном варианте ВЭЖХ в зависимости от полярности неподвижной и подвижной фаз различают нормально-фазовую (НФ) и обращенно-фазовую (ОФ) хроматографию. В НФ ВЭЖХ применяют полярный адсорбент и неполярные подвижные фазы, в ОФ ВЭЖХ — неполярный адсорбент и полярные подвижные фазы. В обоих вариантах принципиальное значение имеет выбор подвижной фазы. Неподвижная фаза удерживает разделяемые вещества, подвижная фаза (растворитель или смесь растворителей) обеспечивает различную емкость колонки и эффективное разделение компонентов смеси.

Адсорбенты различных типов (полярные и неполярные) характеризуются различной селективностью по отношению к разделяемым соединениям. В качестве адсорбентов применяются тонкодисперсные пористые материалы с удельной поверхностью более 50 м²/г.

Полярные адсорбенты (оксиды кремния и алюминия, флорисил и др.) содержат на поверхности слабокислотные ОН-группы, способные удерживать вещества с основными свойствами. Эти адсорбенты применяются в методе НФ ВЭЖХ для разделения соединений со средней полярностью.

Основной недостаток полярных адсорбентов — высокая чувствительность к содержанию воды в растворителе. Например, силокса- новые группы =Si-O-Si= на поверхности оксида кремния в присутствии воды переходят в силанольные группы =Si-OH, при этом изменяются свойства поверхности и результаты становятся невоспроизводимыми (рис. 40.1).

Рис. 40.1. Активные группы на поверхности силикагеля:

• 1 — связанные водородной связью силанольные группы;
• 2 — свободные силанольные Si-OH; 3 — силоксановые Si-O-Si

В методе ВЭЖХ применяют полярные сорбенты с привитыми полярными группами (амины, диолы), что позволяет изменять селективность определения подбором соответствующего элюента (рис. 40.2).

Неполярные адсорбенты проявляют селективность к полярным соединениям. Применимы также сорбенты с привитыми неполярными фазами, например силикагель с алкилсилильными группами. Экранирование силанольных ОН-групп силикагеля проводится с помощью алифатических углеводородов C₃ и C₄, однако получить относительно большие емкости колонки и объемы удерживания удается только при введении более длинных алкильных цепочек, например C₁₈. Кроме перечисленных неподвижных фаз применение находят поверхностнопористые носители. Это жесткие непористые носители (например, стеклянные шарики), покрытые тонким пористым слоем активного полярного или неполярного сорбента. Поверхностно-пористые носители оказывают малое сопротивление потоку, вследствие чего возрастает скорость анализа.

Рис. 40.2. Состав типичных модифицированных фаз в ВЭЖХ

Эффективность колонки тем выше, чем уже получается пик при том же времени удерживания. Эффективность колонки измеряется числом теоретических тарелок (ЧТТ) N: чем выше эффективность, тем больше ЧТТ, тем меньше расширение пика по мере его прохождения через колонку, тем уже пик на выходе из колонки. ЧТТ легко определить из хроматограммы по следующей формуле:

где t_R — время удерживания компонента; W_xj2 — ширина пика на половине его высоты.

Селективность колонки определяется отношением приведенных времен удерживания двух пиков. Временем удерживания пика S называют время между нанесением пробы на колонку и выходом из нее пика соответствующего компонента разделяемой смеси:

где t_Q — время удерживания несорбируемого компонента; t_R nt_R — время удерживания компонентов 1 и 2 соответственно.

При оценке разделения двух компонентов на хроматограмме важным параметром является разрешение R_s, которое связывает время выхода и ширину пиков обоих разделяемых компонентов:

Разрешение увеличивается по мере возрастания селективности, ключевую роль в этом играет коэффициент разделения, который необходимо предельно повысить при помощи соответствующего выбора подвижной и неподвижной фаз и условий разделения.

Большое внимание уделяется выбору подвижной фазы (элюента), поскольку она оказывает решающее влияние на селективность разделения компонентов, эффективность колонки и продолжительность анализа. Подвижная фаза должна растворять анализируемую пробу, характеризоваться малой вязкостью (коэффициенты диффузии компонентов анализируемой пробы должны быть достаточно большими), компоненты пробы не должны разрушаться в ходе анализа. Растворители, входящие в состав подвижной фазы, должны быть инертными к материалам всех узлов хроматографа, безопасными для человека, адаптированными к данному детектору и доступными.

Элюирующая эффективность подвижной фазы определяется полярностью растворителя. В НФ-хроматографии с увеличением полярности растворителя его элюирующая эффективность возрастает, в ОФ-варианте — снижается. Растворители, расположенные в порядке возрастания их элюирующей эффективности, составляют элю- отропный ряд. В жидкостной адсорбционной хроматографии предложен элюотропный ряд Снайдера (в скобках приведена элюирующая эффективность растворителей):

пентан (0) < «-гексан и «-гептан (0,01) < циклогексан (0,04) <

< тетрахлорметан (0,18) < бензол (0,32) < хлороформ (0,38) <

< ацетон (0,51) < этанол (0,88) < вода (»1).

Для решения практических задач применяют не индивидуальные растворители, а их смеси. Незначительные добавки второго растворителя, особенно воды, существенно увеличивают элюирующую эффективность подвижной фазы; это характерно, например, для смесей воды с ацетонитрилом.

В случае ОФ-хроматографии силу растворителя увеличивают, повышая содержание в элюенте органической составляющей (метанола, ацетонитрила), и уменьшают, добавляя больше воды. Если не удается добиться желаемой селективности, используют другую органическую составляющую или пытаются изменить ее с помощью разных добавок (кислот, ион-парных реагентов и др.).

При разделении сложных смесей часто не удается подобрать силу растворителя таким образом, чтобы все компоненты разделялись и элюировались за короткий срок. Тогда приходится прибегать к градиентному элюированию, т.е. использовать растворитель, элюирующая сила которого в процессе анализа изменяется — постоянно увеличивается по заранее заданной программе.

Для идентификации компонентов анализируемой смеси необходимо точное фиксирование параметров удерживания веществ, выходящих из колонки; как правило, для этого измеряют объем или время удерживания.

Количественный анализ состоит из следующих стадий:

• • хроматографическое разделение;
• • измерение площадей или высот пиков;
• • расчет количественного состава смеси на основании хроматографических данных;
• • интерпретация полученных результатов (статистическая обработка).

В настоящее время для обработки хроматограмм (рис. 40.3) используются методы с различными интеграторами и ЭВМ. Подобные системы точны, экономят время, позволяют корректировать смещение базовой линии, учитывают время удерживания. Они выводят на печать полное сообщение, включая содержание, и находят широкое применение особенно при серийном анализе.

Для количественного хроматографического анализа используют различные методы калибровки.

Рис. 40.3. Хроматограмма основных компонентов и примесей горючего

Метод внешнего стандарта или абсолютной калибровки. В хроматограф вводят определенный объем каждого стандартного раствора и измеряют площадь или высоту пика. Для каждого вещества строят график зависимости высоты или площади пика от концентрации или массы вещества. Если калибровочный график линеен и проходит через начало координат, то калибровочный коэффициент S (отношение высоты при площади пика к концентрации или массе компонента) является тангенсом угла наклона калибровочного графика. Тогда содержание веществах (мкг) в пробе определяют из соотношения:

где h_x — высота пика интересующего компонента, мм.

Метод нормировки. Этот метод калибровки по размерам пиков, широко применяемый в ГЖХ, в ВЭЖХ используют реже. Метод основан на измерении площади или высоты каждого пика в хроматограмме и вычислении содержания каждого компонента, которое пропорционально площади или высоте. Содержание всех компонентов принимают равным 100%. Метод нормировки применим в том случае, когда нужно определить процентное содержание всех компонентов смеси, что затруднительно при использовании метода абсолютной калибровки.

Метод внутреннего стандарта. Иначе его называют методом относительной (или косвенной) калибровки. Метод основан на добавлении внутреннего стандарта — вещества с известной концентрацией, не присутствующего в первоначальной смеси, — в неизвестный образец для получения отдельного пика на хроматограмме и компенсации различных аналитических ошибок. Внутренний стандарт должен быть химически инертным, полностью отделяться от других компонентов смеси, концентрация его должна быть близка к концентрации определяемых веществ.

Калибровку с использованием внутреннего стандарта проводят при хроматографировании смесей, содержащих внутренний стандарт в постоянной концентрации, а интересующий компонент в разных концентрациях. Измерив площади или высоты определяемых соединений, строят график их отношений к площади или высоте внутреннего стандарта в зависимости от концентрации интересующего компонента. Внутренний стандарт должен вноситься в такой концентрации, чтобы отношение высот h или площадей S пиков стандартов и компонентов было равно 1.

К основным узлам жидкостного хроматографа относятся насос для подачи элюента, дозатор или пробоотборник, хроматографическая колонка, детектор и регистрирующее устройство (самописец или дисплей) (рис. 40.4).

Рис. 40.4. Схема хроматографической системы

Кроме того, жидкостные хроматографы имеют различные вспомогательные блоки и системы, например, систему термостатирования и др. Система подачи элюента включает дополнительные узлы: блок дегазации, устройство для проведения градиентного элюирования, насосы, систему поддержания и измерения давления. Насосы обеспечивают постоянную скорость потока элюента от 0,1 до 10 см³/мин при давлении ~ 4—40 МПа. Тщательное удаление газов из применяемых растворителей необходимо для устранения пузырьков из магистралей перемещения жидкой фазы. Современный жидкостной хроматограф имеет достаточно сложное устройство, обеспечивающее отбор элю- ентов из двух—трех емкостей в смеситель, затем в колонку, а также снабжен дозаторами, работающими при высоких давлениях.

Для ввода пробы исследуемой смеси применяются петлевые дозаторы или специальные микрошприцы. Часто используют дозатор с остановкой потока.

В методе ВЭЖХ применяются стандартные прямые колонки длиной 10, 15 и 25 см с внутренним диаметром 4,0—5,5 мм. Объемы соединительных трубок, колонок, ячеек детектора, пробоотборника должны быть как можно меньшими, это устраняет размывание хроматографических пиков.

Детекторы служат для преобразования физического или физикохимического параметра в электрический сигнал, они регистрируют во времени содержание хроматографируемого компонента в подвижной фазе на выходе из колонки. Детекторы метода ЖХ разделяют на оптические (фотометрические, флуориметрические, хемолюминесцентные, рефрактометрические) и электрохимические (кондуктометрические, кулонометрические, амперометрические, полярографические). Наибольшее применение получили спектрофотометрические детекторы, работа которых основана на измерении светопоглощения в ультрафиолетовой (190-380 нм) или видимой (380-800 нм) областях спектра. Такие детекторы характеризуются высокой чувствительностью к органическим соединениям различных классов, широким линейным динамическим диапазоном, малым рабочим объемом ячейки (<10^-6 дм³), небольшим расширением пиков, высокой воспроизводимостью показаний. Они не разрушают определяемые соединения, малочувствительны к изменениям скорости потока подвижной фазы и температуры. В настоящее время получили широкое распространение высокоскоростные диодно-матричные спектрофотометрические детекторы, регистрирующие спектр в течение 0,01-0,05 с. Современные жидкостные хроматографы снабжены компьютерной системой обработки результатов измерений. В блоке памяти такой системы хранится информация о спектрах поглощения большого числа органических веществ.

Работа электрохимических детекторов основана на электрохимических свойствах определяемых соединений, находящихся в потоке элюента. Различают детекторы, которые реагируют на изменение свойств элюента (кондуктометрические), и детекторы, которые реагируют на конкретный сорбат (амперометрические). Большинство электрохимических детекторов работает в амперометрическом режиме, при котором поддерживается постоянное напряжение между двумя электродами, погруженными в поток элюента, и сила тока регистрируется в зависимости от времени.