Основы хроматографии; принципиальное устройство газовогохроматографа
Хроматография (от греч.chromatos-цвет) – физико-химическийметод разделения и анализа смесей, основанный на распределении их компонентовмежду двумя фазами – неподвижной и подвижной.
Методразработан в 1903 г.М. Цветом, который показал, что при пропусканиисмеси растительных пигментов через слой бесцветного сорбента индивидуальныевещества располагаются в виде отдельных окрашенных зон. Полученный такимобразом послойно окрашенный столбик сорбента Цвет назвал хроматограммой, а метод– хроматографией. Впоследствии термин «хроматограмма» стали относить к разнымспособам фиксации результатов видов хроматографии. Однако вплоть до 40- х гг.храмотография не получила должного развития. Лишь в 1941 г. А. Маршини Р. Синг открыли метод распределительной хроматографии и показали егоширокие возможности для исследования белков и углеводов. В 50-е гг. Мартин иамериканский учёный А. Джеймс разработали метод газо – жидкостнойхроматографии.
В зависимостиот природы взаимодействия, обусловливающего распределение компонентов междуэлюентом и неподвижной фазой, различают следующие основные виды: адсорбционную,распределительную, ионообменную, эксклюзионную (молекулярно – ситовую) иосадочную.
Адсорбционная хроматография основанана различии сорбируемости разделяемых веществ адсорбентом (твёрдое тело сразвитой поверхностью);
распределительная хроматография – наразной растворимости компонентов смеси в неподвижной фазе (высококипящаяжидкость, нанесенная на твёрдый макропористый носитель) и элюенте;
ионообменная– наразличии константионообменного равновесия между неподвижной фазой икомпонентами разделяемой смеси;
эксклюзионная(молекулярно– ситовая) – на разной проницаемости молекул компонентов в неподвижнуюфазу. Эксклюзионная хроматография подразделяется на гель – проникающую(ГПХ), вкоторой элюент – неводный растворитель. Осадочная хроматография основана наразличной способности разделяемых компонентов выпадать в осадок на твёрдойнеподвижной фазе.
Всоответствии с агрегатным состоянием алюента различают газовую и жидкостнуюхроматографию. В зависимости от агрегатного состояния неподвижной фазы газоваях. бывает газо – адсорбционной (неподвижная фаза – твёрдый адсорбент) игазо-жидкостной (неподвижная фаза – жидкость), а жидкостная х. – жидкостно– адсорбционной. К твёрдо – жидкостной х. относятся тонкослойная и бумажная.
Различаютколоночную и плоскостную х. В колоночной сорбентом заполняют специальные трубки– колонки, а подвижная фазадвижется внутри колонки благодаря перепаду давления,Разновидность колоночной х. – капиллярная, когда тонкий слой сорбента наноситсяна внутренние стенки капиллярной трубки. Плоскостная х. подразделяется натонкослойную и бумажную. В тонкослойной х. тонкий слой гранулированногосорбента или пористая плёнка наносится на стеклянную или металлическиепластинки: в случае бумажной х. используют специальную хроматографическуюбумагу. В плоскостной х. перемещение подвижной фазы присходит благодарякапиллярным силам.
Прихроматографировании возможно изменение по заданной программе температурысостава элюента, скорости его протекания.
В зависимостиот способа перемещения разделяемой смеси вдоль слоя сорбента различают след.варианты х.: фронтальный, проявительный и вытеснительный.
При фронтальномварианте в слой сорбента непрерывно вводится разделяемая смесь, состоящаяиз газа – носителя и разделяемых компонентов;
при проявительномварианте через слой сорбента непрерывно прходит поток элюента и периодически вслой сорбента вводится разделяемая смесь веществ. Через определённое времяпроисходит деление исходной смеси на чистые вещества, располагающиеся отд.Зонами на на сорбенте, между которыми находятся зоны элюента. При вытеснительномварианте в сорбент вводится разделяемая смесь, а затем поток газа – носителя,содержащего вытеснитель(элюент), при движении которого смесь через периодвремени разделится на зоны чистых веществ, между которыми окажутся зоны ихсмеси. Ряд видов х. которых осуществляются с помощью приборов, называютсяхроматографами, в большинстве из которых реализуется проявительный вариант х.Хроматографы используют для анализа и для препаративного разделения смесейвещестив. При анализе разделённые в колонке хроматографа вещества вместе сэлюентом попадают через различные промежутки времени в установленное на выходеиз хроматографической колонки детектирующее устройство, регистрирующее ихконценрации во времени. Полученную в результате этого выходную кривую, наз.Хромотограммой. Для качества хроматографические анализа определяют время отмомента ввода пробы до выхода каждого компонента из элюента. Для количестваанализа определяют высоты при площади хроматографических пиков с учётомкоэффициентов чувствительности используемого детектирующего устройства канализируемым веществам.
Для анализа иразделения веществ, переходящих без разложения в парообразное состояние,наибольшее применение получила х., где в качестве элюента (газа-носителя)используются гелий, азот, аргон, и др. газы. Для газо-адсорбционного варианта хв качестве сорбента (частицы диаметром 0,1 – 0,5 мм) используютсиликагели, алюмогели, молекулярные сита, пористые полимеры и др. сорбенты. Длягазо – жидкостной х. сорбент готовят нанесением жидкости в виде плёнки. (высококипящиеуглеводороды, сложные эфиры, силоксаны) толщиной неск. мкм на твёрдый носитель.Рабочие температурные пределы для газо – адсорбционного варианта х. от -70 до600 °С, для газожидкостного от – 20 до 400 °С.
В жидкостнойколоночной х. в качестве элюента применят легколетучие растворители (углеводороды,эфиры, спирты), а в качестве неподвижной фазы – силикагели.
Жидкостнаямолекулярно-ситовая х. отличается использованием сорбентов, имеющих поры строгоопределенного размера.
Втонкослойной и бумажной Х. исследуемую смесь в жидком виде наносят на стартовуюлинию, затем разделяют на компоненты восходящим или нисходящим потоком элюента.Последующее обнаружение (проявление) разделённых веществ на хроматограммеосуществляют при помощи ультрафиолетовой спектроскопии, инфракраснойспектроскопии или обработкой реактивами, образуемые окрашенные соединения.
Качественныйсостав смесей с помощью этих видов х. характеризуют определенной скоростьюперемещения пятен веществ относмительно скорости движения растворителя в данныхусловиях. Количеств. анализ осуществляют измерением интенсивности окраскивещества на хроматограмме.
Х. широкоприменяется в лабораториях и в промы-ти для качеств. и количеств. анализамногокомпонентных систем, контроля производства.
Газовая х.применяется для газов разделения, определения примесей вредных веществ ввоздухе, воде, почве, определения состава продуктов нефтехимического синтеза,выхлопных газов, а также в криминалистике.
Газовая х.применяется также для определения физико-химич. характеристик соединений:теплоты растворения.
Тонкослойнаяи бумажная хроматография используются для анализа жиров, углеводов, белков инеорганических соединений.
В некоторыхслучаях для идентификации веществ используется х. в сочетании с др. физико-хим.и физ. методами (масс-спектрометрией).
Цвет пришел квыводу, что нужен многократный адсорбционный процесс и проделал свойисторический опыт. В трубку с порошком мела он залил раствор пигментов. Вверхней части образовалось окрашенное кольцо. Затем в трубку он стал непрерывноподавать бензол. Пигменты частично растворялись в нём, опускались,адсорбировались другими зёрнами мела, снова растворялись в новых порцияхбензола, и снова опускались по трубке. Но так как разные вещества по-разномуизвлекались бензолом из адсорбента, они опускались по трубке с разнойскоростью. Поэтому первоначальное зелёное кольцо, опускаясь, постепеннорасширялось и делилось на несколько разноцветных колец. Этих колец оказывалосьшесть: верхнее жёлтое, затем оливково-зелёное, далее тёмно-зелёное и трижёлтых. Цвет извлёк слой адсорбента из трубки, разрезал его на цилиндрики, вкаждом из которых оказалось своё цветное кольцо. Теперь можно было извлечьвещества из адсорбента спиртом и исследовать. В результате Цвет показал, чтохлорофилл – это не индивидуальное соединение, а смесь двух веществ, которыеразделились на колонке и дали оливково-зелёное и тёмно-зелёные кольца.
Цветразработал метод химического анализа, который позволяет осветить природныепроцессы. Цвет назвал полученную при разделении веществ разноцветную картинкухроматограммой, а а сам метод – хроматографическим адсорбционным анализом илихроматографией, которое в переводе с греческого означает «цветопись». Главное –это возможность разделения веществ по их склонности к адсорбции.
Хроматографы– приборыили установки для хроматографического разделения и анализа смесей веществ.Основными частями хроматографа являются: система для ввода исследуемой смеси веществ(пробы);хроматографическая колонка: детектирующее устройство(детектор); системырегистрации и термостатированя: для производственных х., кроме того отборныеприспособления и приёмники для разделённых компонентов.
Всоответствии с агрегатным состоянием используемой подвижной фазы существуютгазовые и жидкостные хроматографы. В подавляющем числе х. реализуетсяпроявительный вариант хроматографии.
В газовомхроматографе газ-носитель из баллона через регуляторы расхода и давлениянепрерывно с постоянной или переменной скоростью подаётся в хроматографическуюколонку-трубку (диаметром 2–5 мм), заполненную сорбентом и помещенную втермостат, позволяющий поддерживать заданную температуру (вплоть до 500 °С).
/>
Принципиальнаясхема газового хроматографа:
1-баллон синертным газом;
2-устройстводля ввода пробы в хроматографическую колонку;
3-хроматографическаяколонка;
4-термостат;
5-детектор;
6-преобразовательсигналов;
7-регистратор.
Ввод газообразнойпробы и жидкой осуществляется либо вручную (газовым шприцем или микро-шприцем),либо автоматически – при помощи микродозаторов. В хроматографической колонкепроисходит разделение исходной многокомпонентной смеси на ряд бинарных смесей,состоящих из газа-носителя и одного из анализируемых компонентов. В результатепроисходящих в детекторе процессов (изменения теплопроводности), фиксируетсяизменение концентрации выходящих компонентов: преобразованные в электрическийсигнал, эти процессы записываются в виде выходной кривой.
Наиболеераспространённые детекторы газовых х. – термокондуктометрич. и ионизационные.Типичным примером первых является детектор по теплопроводности (катарометр), вмостовую цепь которого включены две ячейки для измерения теплопроводности;через них протекают потоки чистого газа – носителя и бинарная смесь.Теплопроводность последней отличается от теплопроводности чистого газа – носителя;поэтому при прохождении бинарной смеси через чувствительный элемент детектора –нагретую спираль с сопротивлением 10–80 ом – меняются температура исопротивление спирали в зависимости от концентрации компонента. Такой детекторпозволяет определять пределы концентрации веществ.
Гл. частьюионизационных детекторов является ионизационная камера, где происходитионизация молекул, попадающих в нё с потоком газа-носителяиз хроматографическойколонки. Ионизацию исследуемых веществ осуществляют в пламени водорода,метастабильными атомами аргона или гелия, медленными электронами. Ионы подвоздействием напряжения перемещаются в ионизационной камере, что приводит кобразованию электрического тока. Ионизационные детекторы позволяют определитьконцентрацию веществ.
Ионизационныедетекторы характеризуются чувствительностью, прямой зависимостью сигнала отконцентрации.
В жидкостномх. в качестве детектирующего устройства используют проточный рефрактометр,включаемый по дифференциальной схеме, или детектор поглощения вультрафиолетовой области.
Достигаемыескорость и точность анализа в х. во многом определяются правильным выборомрабочего режима детектора и условий эксперимента (тип сорбента, температура,скорость газа-ностителя, длина хроматографической колонки). Для ускоренияанализа применяют программирование во времени изменение.
Газохроматографическийпроцесс осуществляют в специальных приборах-газовые хроматографы. Каждый из нихимеет систему подачи потока газа-носителя, систему подготовки и вводаисследуемой смеси, хроматографическую колонку, с системой регулированиятемпературы, детектор и систему обработки и регистрации результатов анализа.
Принципработы газового хроматографа заключается в следующем. Поток газа – носителя избаллона 1 через регуляторы расхода и давления 2 непрерывно и в регулируемомколичестве подаётся через испаритель 3 в хроматографическую колонку 4 и затем-в детектор 7. С помощью специальных устройств: шприц-дозаторов 5,пробоотборного крана подают анализируемую прб4у в систему ввода6, откуда она всоответствующем виде переносится потоком газа-носителя непосредственно вколонку. При прохождении полученной газовой смеси вдоль сорбента происходитразделение. Из колонки газовый поток, несущий в определенной последовательностиразделённые компоненты, поступает в детектор 7. Электрический сигнал отдетектора регистрируется в РЗУ 8 в виде хроматограммы.
Такимобразом, основными системами любого газового хроматографа являются колонка идетектор. Хроматографическая колонка разделяет, а детектор количественноопределяет компоненты проходящей через неё газовой смеси.
Детекторыподразделяются на дифференциальные и интегральные. Дифференциальные детекторыотмечают практически мгновенное изменение какой-либо характеристики,интегральные – суммируют изменение её за определенное время. Дифференциальныедетекторы могут показывать как изменение концентрации на выходе, так ипроизведение концентрации на скорость. Принципы, положенные в основу действиядетектора, могут быть разнообразными. Наибольшее применение находятдифференциальные детекторы, регистрирующие изменение теплопроводности газа илиизмеряющие ток, проходящий через ионизированный газ – пламенно- ионизационный(ПИД), электронно – захватный, аргоновый. В катарометре чувствительнымэлементом является вольфрамовая нить, нагреваемая постоянным токо. Газ – носитель,непрерывно протекая над ней, отводит тепло с постоянной скоростью. Если вгазовой смеси над нагретой нитью появляются молекулы анализируемого вещества,то скорость отвода тепла и, как следствие, температура и электросопротивлениенити изменяются. Изменение электросопротивления нити пропорциональноконцентрации компонента в газовой смеси. Разница в показаниях до и послепрохождения какого-либо компонента регистрируется электрической схемой. Этотдетектор практически универсален. Он позволяет определить концентрацию веществав пределах 0,1–0,01%.