Хроматография

10 - регистратор; 11 - блок автоматической  обработки результатов анализа; 12 — коллектор фракций; 13- термостат

Колонки для ВЖХ выполняют из нержавеющей стали с внутренним диаметром 2-6 мм и длиной 10-25 см. Колонки заполняют сорбентом (НФ). В качестве НФ используются силикагель, оксид алюминия или модифицированные сорбенты. Модифицируют обычно силикагель, внедряя химическим путем в его поверхность различные функциональные группы.

Детекторы. Регистрация выхода из колонки отдельного компонента производится с помощью детектора. Для регистрации можно использовать изменение любого аналитического сигнала, идущего от подвижной фазы и связанного с природой и количеством компонента смеси. В жидкостной хроматографии используют такие аналитические сигналы, как светопоглощение или светоиспускание выходящего раствора (фотометрические и флуориметрические детекторы), показатель преломления (рефрактометрические детекторы), потенциал и электрическая проводимость (электрохимические детекторы) и др.

Непрерывно  детектируемый сигнал регистрируется самописцем. Хроматограмма представляет собой зафиксированную на ленте  самописца последовательность сигналов детектора, вырабатываемых при выходе из колонки отдельных компонентов смеси. В случае разделения смеси на внешней хроматограмме видны отдельные пики. Положение пика на хроматограмме используют для целей идентификации вещества, высоту или площадь пика - для целей количественного определения.

 

Качественный анализ

Рис.3.1.2.  Параметры хроматограммы

Важнейшие характеристики хроматограммы - время  удерживания t_r и связанный с ней удерживаемый объем — отражают природу веществ, их способность к сорбции на материале неподвижной фазы и, следовательно, при постоянстве условий хроматографирования являются средством идентификации вещества. Для данной колонки с определенными скоростью потока и температурой время удерживания каждого   соединения   постоянно (рис), где t_R(a) - время удерживания компонента А анализируемой смеси с момента ввода в колонку до появления на выходе из колонки максимума пика, t_R(BC) - время удерживания внутреннего стандарта (первоначально отсутствующее в анализируемой смеси вещество), h - высота пика (мм), a_1/2 — ширина пика на половине его высоты, мм.

Для идентификации  вещества по хроматограмме обычно используют стандартные образцы или чистые вещества. Сравнивают время удерживания неизвестного компонента t_Rx с временем удерживания t_RCT известных веществ. Но более надежна идентификация по измерению относительного времени удерживания

t_R(A)

t_R(отн)= ____   (3.1.1).

t_R(BC)

 

При этом в  колонку сначала вводят известное  вещество (внутренний стандарт) и измеряют время его удерживания t_R(BC), затем хроматографически разделяют (хроматографируют) исследуемую смесь, в которую предварительно добавляют внутренний стандарт. Относительное время удерживания определяют по формуле (3.1.1).

 

Количественный анализ

В основе этого  анализа лежит зависимость высоты пика h или его площади S от количества вещества. Для узких пиков предпочтительнее измерение h, для широких размытых - S. Площадь пика измеряют разными способами: умножением высоты пика (h) на его ширину (а_1/2), измеренную на половине его высоты (рис 3.2.3); планиметрированием; с помощью интегратора. Электрическими или электронными интеграторами снабжены современные хроматографы.

Для определения  содержания веществ в пробе используют в основном три метода: метод абсолютной градуировки, метод внутренней нормализации и метод внутреннего стандарта.

Метод абсолютной градуировки основан на предварительном определении зависимости между количеством введенного вещества и площадью или высотой пика на хроматограмме. В хроматограмму вводят известное количество градуировочной смеси и определяют площади или высота полученных пиков. Строят график зависимости площади или высоты пика от количества введенного вещества. Анализируют исследуемый образец, измеряют площадь или высоту пика определяемого компонента и на основании градировочного графика рассчитывают его количество.

Метод внутренней нормализации основан на приведении к 100% суммы площадей всех пиков на хроматограмме. Расчет массовой доли в % одного компонента проводят по формуле

K_AS_A

w_(a)% =________________ ,    (3.1.2)

K_AS_a+K_bS_b+...K₂S_i

где К - поправочные  коэффициенты, s_a, s_b, S_i - площади пиков компонентов смеси.

Этот метод  дает информацию только об относительном  содержании компонента в смеси, но не позволяет определить его абсолютную величину.

Метод внутреннего стандарта основан на сравнении выбранного параметра пика анализируемого вещества с тем же параметром стандартного вещества, введенного в пробу в известном количестве. В исследуемую пробу вводят известное количество такого стандартного вещества, пик которого достаточно хорошо отделяется от пиков компонентов исследуемой смеси (рис. 3.2.3). Проводят анализ пробы с внутренним стандартом и рассчитывают количество определяемого вещества по формуле

                                                                            k_(a)h_(a)

g_(а)= ___________g_(BC)      (3.1.3)

                                                           K_(BC)h_(BC)

 

где g_(A) - количество определяемого компонента А; h_(A) - высота пика компонента A; g_(BC)- количество внутреннего стандарта; h_(BC) - высота пика внутреннего стандарта; к_(A) и k_(BC) - поправочные коэффициенты.

В последних  двух методах требуется введение поправочных коэффициентов, характеризующих чувствительность используемых детекторов к анализируемым веществам. Для разных типов детекторов и разных веществ коэффициент чувствительности определяется экспериментально.

В жидкостной адсорбционной хроматографии используется также анализ фракций растворов, собранных в момент выхода вещества из колонки. Анализ может быть проведен различными физико-химическими методами.

Жидкостную  адсорбционную хроматографию применяют  в первую очередь для разделения органических веществ. Этим методом весьма успешно изучают состав нефти, углеводородов, эффективно разделяют - транс- и цис- изомеры, алкалоиды и др. С помощью ВЖХ можно определять красители, органические кислоты, аминокислоты, сахара, примеси пестицидов и гербицидов, лекарственных веществ и других загрязнителей в пищевых продуктах.

 

3.2. Ионообменная хроматография

 

Ионообменная  хроматография (ИХ) является разновидностью жидкостной хроматографии и в аппаратурном оформлении ничем не отличается от других видов жидкостной колоночной хроматографии. В основе ионообменной хроматографии лежит процесс обмена между ионами анализируемого раствора (ПФ) и подвижными ионами того же знака ионообменника (НФ).

В качестве ионообменников или ионитов обычно используют синтетические полимерные вещества, называемые ионообменными смолами. Они состоят из матрицы (R) и активных групп, содержащих подвижные ионы. В зависимости от знака обмениваемых ионов различают катиониты и аниониты. Катиониты содержат кислотные группы различной силы, такие как сульфогруппы, карбоксильные, оксифенильные. Аниониты имеют в своем составе основные группы, например алифатические или ароматические аминогруппы различной степени замещенности (вплоть до четвертичных).

Иониты могут  находиться в Н-форме и ОН - форме, а также в солевой форме. В  Н-форме катиониты и ОН- форме  аниониты содержат способные к обмену ионы водорода и гидроксила соответственно, в солевых формах ионы водорода заменены катионами металла, анионы гидроксила - анионами кислот.

В зависимости  от силы кислотных и основных групп  в ионитах различают сильнокислотные (R-SOзН) и слабокислотные (R-СООН) катиониты; сильноосновные (R-N(СНз)зОН) и слабоосновные (R-NНзОН).

Сильнокислотные и сильноосновные иониты способны к  ионному обмену в широком диапазоне рН.

Процесс ионного  обмена протекает стехиометрично. Например:

 

R-SO₃H+Na⁺=RSO₃Na+H⁺

R(NНз)зОН+Сl^-=R(NНз)зСl+ОН^-

 

Это ионообменное равновесие характеризуется константой ионного обмена:

                                        [H⁺][RSO₃Na]                        [OH^-][RN(CH₃)₃Cl

K_H+_/Na+=______________; K_OH^-_/Cl^-=  _________________

             [Na⁺][RSO₃H]                      [Cl^-][RN(CN₃)₃OH]

 

На основании  констант ионного обмена построены  ряды сродства ионов к данному иониту, позволяющие предвидеть возможности ионообменных разделений.

В зависимости  от сродства к фиксированным ионам  неподвижной фазы разделяемые ионы перемещаются вдоль хроматографической колонки с различными скоростями; чем выше сродство, тем больше объем  удерживания компонента. При разделении органических кислот и оснований важную роль играет степень их диссоциации.

Для двух веществ, имеющих разные константы обмене, рассчитывают фактор разделения или  коэффициент распределения, который  характеризует селективность ионита        

K_A

f_a/b=  ___  ,  (3.2.1)

                                                                  K_B

 

где f_a/b - фактор разделения; K_A; K_B - константы ионного обмена веществ А и В. Чем больше фактор разделения, тем сильнее ионит удерживает вещество А.

Например, константы  ионного обмена солей железа (III) и кобальта (II) на сильнокислотном  катионите марки КУ-2 составляют 3726 и 286 соответственно.

                                                                                     3726

Тогда согласно формуле 7.2.1 получим: F_Fe³/_Co²⁺ = ____=13.

                                                                                      286

Таким образом, можно сделать вывод, что катионит КУ-2 более селективен к ионам  железа (III).

Важной количественной характеристикой ионитов является их обменная емкость. Полная обменная емкость определяется количеством эквивалентов ионов, обмениваемых одним граммом сухого ионита. Чем больше обменная емкость, тем большую пробу можно ввести в колонку с ионитом.

При подготовке ионитов к работе их переводят  в соответствующую форму. Так, для  перевода катионита в Н-форму  через колонку с набухшим ионитом  пропускают раствор сильной кислоты, избыток которой отмывают водой. Затем медленно пропускают раствор смеси ионов. Каждый катион задерживается на ионите согласно своей сорбируемости. Далее пропускают подходящий элюент. Например, катионы щелочных металлов легко элюируются 0,1 М HCl. При этом ионы водорода обмениваются на сорбированные катионы, которые вместе с раствором выходят из колонки в соответствии с константами ионного обмена. На выходе из колонки фракции собирают в отдельные сосуды и определяют содержание любым подходящим методом.

Иониты применяются  для деионизации (обессоливания) воды, очистки сахарных сиропов от минеральных  солей; в препаративной химии - для  концентрирования растворов; для определения  ионов железа (III), меди и свинца в  вине; кальция и магния в молоке; различных металлов в биологических жидкостях. Кроме того, ионный обмен используют для перевода ионов в форму, удобную для количественного определения. Например, поваренную соль в рассоле можно определить, пропустив пробу через колонку с катионитом, и выделившуюся в эквивалентном количестве кислоту оттитровать щелочью:

R-SOзН+NaCI=R-SOзNa+НСl.

 

Ионообменную  хроматографию применяют для  разделения фенолов, карбоновых кислот, аминосахаров, пуриновых, пиримидиновых  и других оснований. Часто иониты используют для предварительного разделения сложных смесей на менее сложные. На ионном обмене основано получение ионитного молока для детского питания. Ионный обмен используют для очистки натуральных соков от ионов тяжелых металлов. Ионообменные смолы применяют для получения ионообменных мембран.   

    

3.3. Тонкослойная хроматография

 

Тонкослойная  хроматография (ТСХ) является одним  из наиболее простых и эффективных экспресс-методов разделения и анализа веществ в пищевых продуктах, биологических жидкостях и других объектах, не требующих сложного оборудования. В то же время метод обладает высокой избирательностью и чувствительностью (низким пределом обнаружения). Этим методом можно определить 10-20 мкг вещества с точностью до 5-7%.

В зависимости  от природы НФ тонкослойная хроматография  может быть адсорбционной и распределительной. Наиболее широко применим в ТСХ первый вариант разделения.

Неподвижная твердая фаза (оксид алюминия, силикагель и др.) тонким слоем наносится  на стеклянную, металлическую (алюминиевая  фольга) или пластмассовую пластинку, закрепляется слой с помощью крахмала или гипса (иногда используют пластинки  с незакрепленным слоем). Для хроматографирования  могут использоваться готовые пластинки, выпускаемые промышленностью, размером 5х15 или 20х20 см.

На расстоянии 2 см от края пластинки на стартовую  линию с помощью микропипетки или микрошприца наносят пробы  анализируемого раствора (диаметр пятен 3-5 мм). После испарения растворителя край пластинки помещают в стеклянную камеру, на дно которой налит растворитель (ПФ) в количестве, достаточном для  образования слоя глубиной 0,5 см. Камеру закрывают крышкой.

Выбор растворителя (ПФ) зависит от природы сорбента и свойств анализируемых соединений. Например, разделение хлорорганических пестицидов на пластинке с силикагелем проводят в среде гексана. Часто применяют смеси растворителей из двух или трех компонентов. Так, при хроматографировании аминокислот используют смесь Н-бутанола с уксусной кислотой и водой, при анализе неорганических ионов - водные буферные растворы, создающие постоянное значение рН.