Хроматография в современной химии

Немного теории. Хроматографические процессы часто удобно рассматривать как серии экстракционных процессов, при этом могут быть разделены вещества с очень близкими свойствами, т. к. в ходе хроматографических процессов быстро и одновременно происходят сотни и даже тысячи циклов экстракции.

Для оценки эффективности хроматографических процессов, исходя из теоретического представления о дистилляции (по аналогии с разделением нефти на ректификационных колоннах, где теоретическая тарелка соответствует части ректификационной колонны, в которой пар и жидкость находятся в равновесии), вводят понятие «высота, эквивалентная теоретической тарелке» (ВЭТТ). Хроматографическая колонка, таким образом, рассматривается как набор гипотетических слоев (тарелок). Под ВЭТТ обычно подразумевают такую толщину слоя, которая необходима для того, чтобы смесь, поступившая из предыдущего слоя, пришла в равновесие со средней концентрацией вещества в подвижной фазе этого слоя. Ее можно описать следующей формулой:

ВЭТТ = L/N,

где L – длина колонки, N – число теоретических тарелок.

ВЭТТ  является суммарной характеристикой  разделения веществ. Однако разделить  компоненты смеси важно, но недостаточно. Необходимо идентифицировать каждый компонент и определить его количество в пробе. Обычно это осуществляют с помощью обработки хроматограмм – зависимости интенсивности сигнала, пропорционального концентрации вещества, от времени разделения. Некоторые примеры хроматограмм показаны на рис. 10, 11.

Время от момента ввода пробы в колонку  до момента регистрации максимума  пика называется временем удерживания (tR). В оптимальных условиях оно не зависит от количества введенной пробы и с учетом геометрических параметров колонки определяется строением того или иного соединения, т. е. является качественной характеристикой компонентов. Количественное содержание компонента характеризуется величиной пика, точнее его площадью. Подсчет площади пика обычно осуществляют автоматически с помощью прибора интегратора, который фиксирует и время удерживания, и площадь пика. Современная аппаратура позволяет сразу получать компьютерную распечатку с указанием содержания всех компонентов разделяемой смеси.

Работа  хроматографа. Схема установки наиболее простого газового хроматографа приведена  на рис. 12. Она состоит из газового баллона, содержащего подвижную инертную фазу (газ-носитель), чаще всего гелий, азот, аргон и др. С помощью редуктора, уменьшающего давление газа до необходимого, газ-носитель поступает в колонку, представляющую собой трубку, заполненную сорбентом или другим хроматографическим материалом, играющим роль неподвижной фазы.

Рис. 12. Схема работы газового хроматографа: 
1 – баллон высокого давления с газом-носителем; 2 – стабилизатор потока; 3 и 3 ' – манометры; 4 – хроматографическая колонка; 5 – устройство для ввода пробы; 6 – термостат; 7 – детектор; 8 – самописец; 9 – расходомер

Хроматографическая колонка – это «сердце» хроматографа, поскольку именно в ней происходит разделение смесей. Колонки чаще всего изготавливают из стекла; бывают стальные, тефлоновые, а также капиллярные колонки. Вблизи от ввода газа в колонку устанавливают устройство для ввода пробы. Чаще всего вводят пробу с помощью шприца, протыкая резиновую мембрану. Анализируемая смесь разделяется в колонке и поступает в детектор – прибор, преобразующий результаты разделения в форму, удобную для регистрации.

Одним из наиболее используемых детекторов является катарометр, принцип действия которого основан на измерении теплоемкости разных тел.

На  рис. 13 показана схема катарометра. В цилиндрическую полость помещена металлическая спираль (нить сопротивления), нагревающаяся в результате прохождения через нее постоянного электрического тока. При протекании через нее газа-носителя c постоянной скоростью температура спирали остается постоянной. Однако если состав газа меняется при появлении элюируемого вещества, то температура спирали меняется, что и регистрируется прибором.

Другой  распространенный детектор – пламенно-ионизационный, схема которого представлена на рис. 14. Он гораздо более чувствителен, чем катарометр, но требует подачи не только газа-носителя, но и водорода. Выходящий из колонки газ-носитель, содержащий элюент, смешивается с водородом и проходит в форсунку горелки детектора. Пламя ионизирует молекулы элюента, в результате чего электрическое сопротивление между электродами уменьшается, а ток увеличивается.

В жидкостной хроматографии применяются спектрофотометрические детекторы (в видимой, УФ- и ИК-областях), а также рефрактометрические детекторы, основанные на измерении показателей преломления растворов.

Таковы  в общих чертах азы хроматографического анализа. Конечно, в статье приведены только общие принципы хроматографии, а часто они просто обозначены. На самом же деле «кухня» этого метода достаточно большая и сложная. Главная цель этой статьи, по мнению автора, привлечь внимание юных читателей к этому могущественному методу.

Желающие  более подробно ознакомиться с этой областью могут использовать литературу, приведенную ниже.

Л и  т е р а т у р а

Жуховицкий А.А., Туркельтауб Н.М. Газовая хроматография. М.: Гостоптехиздат, 1962, 240 с.;  
Сакодынский К.И., Киселев А.В., Иогансен А.В. и др. Физико-химическое применение газовой хроматографии. М.: Химия, 1973,  
254 с.; 
Жидкостная колоночная хроматография. В 3 т. Под ред. З.Дейла, К.Мацека, Я.Янака. М.: Мир, 1972;  
Березкин В.Г., Алишоев В.Р., Немировская И.Б. Газовая хроматография в химии полимеров. М.: Наука, 1972, 287 с.;  
Морозов А.А. Хроматография в неорганическом анализе. М.: Высш. шк., 1972, 233 с.;  
Березкин В.Г., Бочков А.С. Количественная тонкослойная хроматография. М.: Наука, 1980, 183 с.;  
Лабораторное руководство по хроматографическим и смежным методам. В 2 т. Под ред. О.Микеш. М.: Мир, 1982, т. 1–2, 783 с.; 
Хроматографический анализ окружающей среды. Под ред. Р.Гроба. М.: Мир, 1979, 606 с.;  
Кирхнер Ю. Тонкослойная хроматография. В 2 т. М.: Мир, 1981, т. 1, 615 с., т. 2, 523 с.; 
Экстракционная хроматография. Под ред. Т.Браун, Г.Герсини. М.: Мир, 1978, 627 с.

В.В.Сафонов, 
профессор Московской  
государственной текстильной  
академии им. А.Н.Косыгина