Хроматографические методы анализа

В настоящее время хроматография (от греч. «хромо» - цвет и «графо» - пишу) является одним из основных методов контроля качества объектов окружающей среды. Основателем хроматографии по праву считают русского ученого М. С. Цвета (1972-1919 гг.), который в 1903 г. осуществил разделение на бумаге смеси растительных пигментов в петролейно-эфирной вытяжке из листьев (Предеина, Решетняк, 2012).

Хроматографические методы получили широкое распространение и используются для разделения жидких и газообразных смесей органических веществ, содержащихся в природных водах. В основе метода лежат процессы сорбции-десорбции, а также различия в распределении отдельных веществ смеси между двумя фазами - подвижной и неподвижной. В самом общем виде хроматографическая система - это сорбент, содержащий неподвижную фазу (или являющийся ею), через который пропускается подвижная фаза. На верху хроматографической системы находится исследуемая проба. По мере пропускания подвижной фазы одни компоненты смеси, более растворимые в ней, увлекаются и идут быстрее, другие, распределяющиеся в неподвижной фазе, отстают. Так происходит разделение компонентов смеси на отдельные хроматографические зоны (рис. 4).

Схема разделения компонентов А и В методом тонкослойной хроматографии (А и В - хроматографические зоны) (Харитонов и др., 2012)

Рис. 4. Схема разделения компонентов А и В методом тонкослойной хроматографии (А и В - хроматографические зоны) (Харитонов и др., 2012)

Основные виды хроматографии

Рис. 5. Основные виды хроматографии

В зависимости от агрегатного состояния исследуемого вещества (газ или жидкость), природы сорбента (твердое вещество или жидкость) и характера взаимодействия между сорбентом и разделяемыми компонентами хроматография делится на несколько видов (рис. 5).

В зависимости от способа размещения неподвижной фазы различают варианты тонкослойной и колоночной хроматографии (Никаноров, 2008).

В тонкослойной хроматографии порошкообразный твердый сорбент (неподвижная фаза) наносят тонким слоем на пластинку, а жидкая фаза движется вдоль этого слоя под действием капиллярных сил. Тонкослойная хроматография является простым и быстрым методом анализа и в гидрохимии используется при определении нефтепродуктов, полициклических ароматических углеводородов, жиров, органических кислот и других веществ. Наиболее распространенным является вариант колоночной хроматографии с использованием хроматографа.

В зависимости от реализации хроматографического процесса колоночную хроматографию разделяют на жидкостную (в том числе высокоэффективную) и газовую. Преимуществом жидкостной хроматографии является возможность использования практически любых веществ без ограничений по их физико-химическим свойствам. Использование техники высокого давления и чувствительных детекторов в высокоэффективной жидкостной хроматографии существенно повысило эффективность разделения и чувствительность. Этот метод используется при изучении состава и содержания полициклических ароматических углеводородов, ароматических аминов и других соединений (Предеина, Решетняк, 2012).

Основными видами жидкостной хроматографии являются адсорбционная, распределительная, ионообменная и гель-хроматография.

Адсорбционная жидкостная хроматография основана на разделении химических веществ (компонентов раствора или смеси) при прохождении потока подвижной фазы через колонку. Разделение происходит за счет их различной адсорбции из раствора твердым сорбентом. В качестве сорбентов используются силикагель, оксид алюминия, активированный уголь, кизельгур и др.

В распределительной жидкостной хроматографии разделение компонентов происходит вследствие различного распределения молекул веществ между двумя жидкими фазами - неподвижной и подвижной. Колонка состоит из инертного сорбента, играющего роль носителя, на котором сорбируется неподвижная фаза. Подвижная фаза протекает через колонку. При этом происходит перераспределение компонентов смеси между неподвижной и подвижной фазами вследствие их различного сродства к ним. Обычно неподвижной фазой являются полярные соединения (вода, минеральные кислоты), подвижной фазой - значительно менее полярные соединения (органические растворители). Подвижная и неподвижная фазы не должны смешиваться между собой. В гидрохимии этот вид хроматографии чаще используется в основном при разделении органических кислот (Никаноров, 2008).

В ионообменной жидкостной хроматографии используются специальные ионообменные сорбенты - иониты, которые способны обменивать в эквивалентных количествах находящиеся в их составе подвижные ионы на другие ионы, содержащиеся в растворе. Ионообменная хроматография применяется при отделении аминокислот, сахаров и органических кислот от других соединений, содержащихся в поверхностных водах (Никаноров, 2008).

Гель-хроматография - сравнительно новый метод хроматографии. Разделение в гель-хроматографии основано на различной степени проникновения молекул разделяемых веществ в гель (неподвижную фазу) и обусловлено размерами этих молекул. В процессе разделения небольшие молекулы попадают в сетку полимера и удерживаются в ней, в то время как большие молекулы вымываются из колонки. Носителями в гель-хроматографии являются сефадексы, биогели, другие полимеры и макропористые стекла, способные набухать в воде либо в органических растворителях. Гель-хроматография используется в основном для отделения высокомолекулярных соединений с низкой относительной молекулярной массой, в частности гуминовых и фульвокислот, от других компонентов природных вод.

Пример гель-хроматографии смеси на колонке Сефадекса G-50

Разделение смеси двух веществ этим методом основано на различиях в размерах их молекул и на соизмеримости разделяемых молекул с размерами пор гранул геля (рис. 6). Поэтому крупные макромолекулы в поры геля не проникают и выводятся растворителем из колонок первыми. Напротив, чем мельче размеры молекул второго компонента смеси, тем чаще они попадают через поры в гранулы геля и задерживаются в колонке (рис. 6-В). Второе вещество смеси выходится из колонки позже в больших объемах растворителя (http://ibmc.msk.ru/content/Education/w-o_pass/MMoB/3a.pdf)

Схема гель-фильтрации двухкомпонентной смеси (http://www.usu.ru/biology/plant_phys/posob_bio_cont.htm)

Рис. 6. Схема гель-фильтрации двухкомпонентной смеси (http://www.usu.ru/biology/plant_phys/posob_bio_cont.htm)

Газовая хроматография служит для разделения летучих веществ. Метод основан на распределении летучих соединений между двумя фазами: неподвижной - сорбентом и подвижной - газовая смесь, протекающая через неподвижную фазу.

Если неподвижной фазой является твердое вещество (силикагель, активированный уголь и т.д.), то такой вид хроматографии называется газоадсорбционной хроматографией. Если же неподвижная фаза - жидкость, нанесенная тонкой пленкой на поверхность сорбента, вариант хроматографии называется газожидкостной хроматографией.

Сущность метода газовой хроматографии состоит в том, что компоненты смеси наносятся на колонку, где они селективно удерживаются неподвижной фазой, образуя в газе-носителе отдельные зоны, которые затем идентифицируются определенным детектором в виде сигналов - пиков на хроматограмме (рис. 7), которые являются функцией времени удерживания вещества в колонке. Обычно используют насадочные или капиллярные колонки. Насадочные колонки наполняют сорбентом; при использовании капиллярной колонки ее внутреннюю стенку покрывают слоем жидкости (неподвижная фаза) или пылью сорбента.

Типичная хроматограмма (ГОСТ 31371.5-2008)

Рис. 7. Типичная хроматограмма (ГОСТ 31371.5-2008)

Газовая (особенно капиллярная газовая) хроматография является высокоинформативным методом анализа, который позволяет проводить разделение сложных смесей веществ, содержащихся в нанограммовых количествах в течение нескольких минут. Этот метод применяется при определении пестицидов, углеводородов, органических кислот, аминов и др. (Никаноров, 2008).

В настоящее время широкое развитие получил метод газовой хроматографии в сочетании с масс-спектрометрией, позволяющий идентифицировать состав сложных смесей специфических веществ, содержащихся в водных объектах.

Достоинства хроматографических методов анализа

Широкое использование хроматографические методы получили благодаря их высокой эффективности, простоте, селективности, экспрессности, возможности автоматизации в сочетании с другими физико-химическими методами.

Отличительной особенностью хроматографических методов является их универсальность, т.е. возможность использования для разделения и определения твердых, жидких и газообразных неорганических и органических веществ в широком интервале концентраций. Эти методы особенно ценны тем, что позволяют эффективно разделять смеси веществ с близкими свойствами за счет использования большого числа типов межмолекулярных взаимодействий: от чисто ситовых взаимодействий к физической сорбции и далее к хемосорбции.

Применение хроматографии в промышленности и быту

Хроматографические методы широко применяются в различных отраслях промышленности и научных исследованиях для анализа смесей газообразных, жидких и твердых веществ, для препаративного выделения соединений и изучения физико-химических свойств газов и растворов.

В нефтехимической и газовой промышленности на долю хроматографии приходится 90 % всех выполняемых анализов. На предприятиях органического синтеза контроль качества сырья, полупродуктов и продуктов производства осуществляется преимущественно с использованием хроматографических методов анализа (до 50 %). Хроматография используется в биологии и медицине, технологии переработки древесины, лесохимии и пищевой промышленности и других областях. Около 30 % анализов по контролю состояния окружающей среды (загазованность воздуха, анализ сточных вод и др.) выполняется газохроматографическими методами.

В быту мы широко используем методы хроматографического разделения веществ, когда используем фильтры для очистки воды (происходит удаление механических частиц и вредных ионов из водных систем), используем медицинские полоски для экспресс-анализов и т.п.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >