Хроматография

ХРОМАТОГРАФИЯ (от греч. chroma, род. падеж chromatos — цвет и grapho — пишу * а. chromatography; н. Chromatographie; ф. chromatographie; и. cromatografia) — метод разделения, анализа и исследования смесей веществ, основанный на различном распределении веществ в динамических условиях между подвижной и неподвижной фазами.

Метод предложен русский учёным М. С. Цветом в 1903.

Виды и определение хроматографии

В зависимости от агрегатного состояния подвижной фазы системы, в которой проводят разделение смеси веществ на отдельные компоненты, различают газовую (см. газоадсорбционная хроматография), газожидкостную хроматографию и жидкостную хроматографию.

В отличие от газовой и газожидкостной хроматографии, пригодных для разделения только смесей газов и веществ, которые можно перевести в парообразное состояние без разложения, жидкостная хроматография позволяет разделять многочисленные органические и неорганические соединения.

Хроматографию классифицируют также по механизму разделения: молекулярная (адсорбционная), ионообменная, осадочная и распределительная.

[attention type=yellow]

В адсорбционном хроме разделение осуществляется в результате взаимодействия вещества с адсорбентами (например, силикагелем, оксидом алюминия и др.), имеющими на поверхности активные центры.

[/attention]

В распределительном хроме вещества разделяются из-за различной растворимости и обратимой сорбции компонентов смеси в двух несмешивающихся жидких фазах — подвижной и неподвижной. Неподвижный растворитель обычно закреплён на твёрдом носителе (см.

бумажная хроматография, тонкослойная хроматография). Колоночный вариант распределительной хроматографии называется экстракционной хроматографией, так как химизм процесса экстракционный, а техника осуществления — хроматографическая.

Осадочная хроматография

Осадочная хроматография основана на химических реакциях хемосорбента с компонентами смеси растворённых веществ с образованием новой фазы — осадка. Осадочные хроматограммы могут быть получены как в колонке на носителе, содержащем осадитель, так и на бумаге, пропитанной осадителем.

В окислительно-восстановительной хроматографии разделение веществ происходит вследствие различий в скоростях окислительно-восстановительных реакций, протекающих между окислителем или восстановителем, которые содержатся на колонке, и ионами хроматографируемого раствора.

Эффективность разделения определяется величинами редокс-потенциалов хроматографируемых систем.

Адсорбционая хроматография

В адсорбционно-комплексообразовательной хроматографии разделение веществ происходит вследствие различий констант нестойкости их комплексных соединений. В качестве носителя используют сорбент, способный удерживать комплексообразующий реагент и продукты его реакции с катионами.

Например, слой активного угля с адсорбированным на нём диметилглиоксимом позволяет разделить никель, железо, медь. Широкое применение находят хелатные смолы, содержащие различные функционально-аналитические группы.

В аналитического реакционной газовой хроматографии сочетаются два метода анализа — хроматографический и химический. При этом на всех стадиях хроматографического анализа — от введения пробы до детектирования — используются химические реакции.

В пиролитической газовой хроматографии твёрдые пробы предварительно подвергают пиролизу и образовавшиеся газообразные продукты анализируют методами газоадсорбционной или газожидкостной хроматографии.

Метод

В хроматотермографическом способе (хроматермография) для улучшения условий разделения компонентов смеси после введения в колонку пробы последнюю промывают газом-носителем и одновременно с этим подвергают действию движущегося температурного поля с градиентом температуры по длине колонки. По форме проведения процесса различают колоночную (ионообменная, газоадсорбционная, газожидкостная хроматография), плоскостную, которая в свою очередь подразделяется на бумажную и тонкослойную хроматографию, и капиллярную хроматографию.

Важнейшими способами разделения являются фронтальный, вытеснительный, элюентный и комплексообразовательный (см. ионообменная хроматография).

Методы газоадсорбционной, газожидкостной, ионной и некоторых других видов хроматографии реализуют с помощью специальных приборов, называется хроматографами.

После разделения компоненты смеси поступают на детектор, с помощью которого их идентифицируют и количественно определяют. Наиболее часто используют пламенноеонизационный, радиометрические детекторы, катарометр.

[attention type=red]

Широкое применение в качестве детекторов находят пламенно-фотометрические, атомно-абсорбционные спектрофотометры, флуориметры, кондуктометры, кулонометры и другие приборы, используемые в аналитической химии для определения элементов и их соединений.

[/attention]

Сочетание хроматографических методов разделения с масс-спектрометрическим определением веществ привело к созданию нового метода анализа, называется хромато-масс-спектрометрией.

Применение хроматографии

Хроматографию широко используют при анализе полезных ископаемых, горных пород и минералов, в технологические процессах для очистки и опреснения воды, для получения веществ высокой чистоты.

Краткая теория по хроматографии

Задачи, решаемые с помощью хроматографии:

очистка веществ от примесей
концентрирование веществ и выделение их из разбавленных растворов или смесей
качественный и количественный анализ смесей веществ
разделение смеси веществ на отдельные компоненты
установление индивидуальности вещества
идентификация веществ

Суть метода

Метод хроматографии основан на различной способности компонентов смеси распределяться между двумя несмешивающимися фазами – подвижной и неподвижной.
Неподвижная фаза (НФ):

Твердое вещество
Жидкость
Смесь твердого вещества и жидкости

Подвижная фаза (ПФ, элюент) – пропускается через НФ или течет по ней:

В зависимости от своей природы вещества перемещаются потоком подвижной фазы по неподвижной с разной скоростью, которая обусловлена силой взаимодействия вещества с фазами. Взаимодействие вещества с НФ определяется адсорбцией (прочность связывания), абсорбцией, хемосорбцией и другими процессами.

НФ может действовать по принципу молекулярного сита, «просеивая» молекулы по форме и размеру. Взаимодействие веществ с ПФ определяется различной растворимостью в ней. Из-за сродства вещества к НФ, его скорость меньше скорости ПФ. Фазы для хроматографического разделения выбирают так, чтобы коэффициенты распределения компонентов смеси в них были различными.

Элюат — раствор, содержащий растворенные вещества смеси. Выходит из слоя НФ.

Разновидности хроматографии

По агрегатному состоянию ПФ:

По сорбционному действию НФ:

Адсорбционная. НФ – твердые вещества с развитой поверхностью и активными центрами, способными к обратимому взаимодействию с молекулами разделяемой смеси.

Распределительная (абсорбционная). НФ – неподвижно закрепленная жидкость на пористом инертном носителе, несмешивающаяся с подвижной фазой (газ или жидкость). Разделение происходит за счет многократно повторенных актов экстракции.

Ионообменная. НФ – ионнообменная смола, ПФ – электролит. Разделение компонентов смеси основано на установлении ионнообменного равновесия между фазами.

Разделение сложных смесей веществ с разными молекулярными массами. Гели с заданной пористостью удерживают молекулы определенного размера и формы, а крупные молекулы вымываются в порядке уменьшения молекулярной массы. НФ – растворитель внутри пор геля. ПФ – растворитель, перемещающийся вдоль зерен геля.

ПФ	НФ	Хроматографический метода	Аппаратурное оформление
Газ	Жидкость	Газо-жидкостная	Колоночная
Твердый адсорбент	Газо-адсорбционная	Колоночная
Жидкость	Жидкость	Жидкостно-жидкостная (распределительная, абсорбционная)	Бумажная, тонкослойная, колоночная
Твердый адсорбент	Жидкостно-адсорбционная	Тонкослойная, колоночная
Ионообменная смола	Ионообменная	Колоночная
Гели, молекулярные сита	Гель-фильтрация, ситовая	Колоночная

Жидкостно-адсорбционная хроматография

В процессе хроматографирования происходит сорбция (удерживание веществ адсорбентом) и десорбция (вытеснение подвижной фазой адсорбированных частиц).

Требования к НФ (адсорбент):

не взаимодействует с разделяемыми веществами и растворителем
избирательный – обладает как можно большим различием в адсорбируемости веществ разделяемой смеси
обладает максимальной поглотительной способностью

Классификация адсорбентов:

полярные (гидрофильные): оксид алюминия, силикагель, гипс, цеолиты, целлюлоза.
неполярные (гидрофобные): активированные угли, графитовая сажа.

Адсорбционная способность

-СН=СН-< -ОСН3< -СООR< C=О< -СНО< -SH< -NH2< -OH< -COOH

Адсорбционное сродство полярных веществ к полярным адсорбентам значительно выше, чем у неполярных.
Оксид алюминия Al2O3 – адсорбент амфотерного характера.

На его поверхности имеется несколько типов активных адсорбционных центров. Одни из них избирательно сорбируют кислоты, другие – основания.

На нем можно разделять различные смеси как в полярных, так и в неполярных растворителях.

Активность оксида алюминия зависит от содержания в нем влаги. Не содержащий влаги Al2O3 имеет самую высокую активность и условно принимается за единицу. Оксид алюминия с необходимой активностью можно приготовить, смешивая свежепрокаленный оксид с необходимым количеством воды (по шкале Брокмана):

Активность Al2O3	I	II	III	IV	V	Активность силикагеля	I	II	III	IV	V
Количество воды, %	0	3	6	10	15	Количество воды, %	0	10	12	15	20

Силикагель – высушенный желатинообразный диоксид кремния, который получают из силиката натрия. Благодаря своей высокой пористости обладает значительно большей сорбционной емкостью, чем Al2O3. Благодаря кислым свойствам своей поверхности (рН 3–5) достаточно прочно сорбирует основания. Поэтому на силикагеле основания, как правило, не хроматографируют.

Характеристика элюента (ПФ)

Способность элюента вытеснять адсорбированные на активных центрах молекулы исследуемых веществ (десорбция) зависит от полярности элюента.

Элюирующая способность для полярных адсорбентов

н-алканы

Виды хроматографии. Области применения хроматографии. Сущность и методы анализа хроматографии

Существует много различных методов анализа состава и изучения свойств различных соединений и смесей веществ. Одним из таких методов является хроматография. Авторство в изобретении и применении метода принадлежит русскому ботанику М. С. Цвету, который в начале XX века осуществил разделение растительных пигментов.

Определение и основы метода

Хроматография – это физико-химический метод разделения смесей и определения их компонентов, основанный на распределении между подвижной и неподвижной фазами веществ, входящих в состав смеси (пробы).

Неподвижная фаза представляет собой пористое твердое вещество – сорбент. Также это может быть жидкостная пленка, нанесенная на твердую поверхность.

Подвижная фаза – элюент – должна перемещаться вдоль неподвижной фазы либо протекать через нее, фильтруясь при этом сорбентом.

Сущность хроматографии состоит в том, что разные компоненты смеси обязательно характеризуются различными свойствами, такими как молекулярная масса, растворимость, адсорбируемость и так далее.

Поэтому скорость взаимодействия компонентов подвижной фазы – сорбатов – с неподвижной неодинакова. Это приводит к различию в скоростях движения молекул смеси относительно неподвижной фазы, вследствие чего компоненты разделяются и концентрируются в различных зонах сорбента.

Некоторые из них покидают сорбент вместе с подвижной фазой – это так называемые неудерживаемые компоненты.

[attention type=green]

Особым достоинством хроматографии является то, что она позволяет достаточно быстро разделять сложные смеси веществ, в том числе и близких по свойствам.

[/attention]

Методы, используемые в анализе, можно классифицировать по различным критериям. Основной набор таких критериев следующий:

агрегатное состояние неподвижной и подвижной фаз;
физико-химическая природа взаимодействия сорбента и сорбатов;
способ введения элюента и его перемещения;
способ размещения неподвижной фазы, то есть техника проведения хроматографии;
цели хроматографирования.

Кроме того, методы могут основываться на разной природе сорбционного процесса, на технических условиях проведения хроматографического разделения (например, низкое или высокое давление).

Рассмотрим подробнее вышеперечисленные основные критерии и связанные с ними наиболее широко используемые виды хроматографии.

Агрегатное состояние элюента и сорбента

По этому признаку хроматография подразделяется на жидкостную и газовую. Названия методов отражают состояние подвижной фазы.

Жидкостная хроматография – это метод, применяемый в процессах разделения смесей высокомолекулярных соединений, в том числе биологически важных. В зависимости от агрегатного состояния сорбента она делится на жидкостно-жидкостную и жидкостно-твердофазную.

Газовая хроматография бывает следующих видов:

Газоадсорбционная (газо-твердофазная), в которой используется твердый сорбент, например уголь, силикагель, цеолиты либо пористые полимеры. В роли элюента – переносчика разделяемой смеси выступает инертный газ (аргон, гелий), азот, углекислый газ. Разделение летучих компонентов смеси осуществляется благодаря разной степени их адсорбции.
Газо-жидкостная. Неподвижная фаза в данном случае состоит из пленки жидкости, нанесенной на твердую инертную основу. Компоненты пробы разделяются сообразно их адсорбируемости или растворимости.

Метод газовой хроматографии широко применяется для анализа смесей органических соединений (с использованием продуктов их распада или производных в газообразной форме).

Взаимодействие сорбента и сорбатов

По данному критерию выделяют такие виды, как:

Адсорбционная хроматография, посредством которой осуществляется разделение смесей за счет различий в степени адсорбции веществ неподвижным сорбентом.
Распределительная. С ее помощью проводят разделение на основе разной растворимости компонентов смеси. Растворение происходит либо в подвижной и неподвижной фазах (в жидкостной хроматографии), либо только в неподвижной фазе (в газо-жидкостной хроматографии).
Осадочная. В основе этого метода хроматографии лежит разная растворимость образующихся осадков разделяемых веществ.
Эксклюзионная, или гель-хроматография. Базируется на различии в размерах молекул, благодаря чему варьирует их способность проникать в поры сорбента – так называемой гелевой матрицы.
Аффинная. Этот специфический метод, основой которого служит особый тип биохимического взаимодействия разделяемых примесей с лигандом, образующим комплексное соединение с инертным носителем в неподвижной фазе. Данный метод эффективен при разделении смесей белков-ферментов и распространен в биохимии.
Ионообменная. В качестве фактора разделения пробы этот способ использует различие в способности компонентов смеси к ионному обмену с неподвижной фазой (ионообменником). В ходе процесса происходит замещение ионов неподвижной фазы ионами веществ в составе элюента, при этом вследствие разного сродства последних к ионообменнику возникает разница в скорости их перемещения, и таким образом смесь разделяется. Для неподвижной фазы чаще всего употребляются ионообменные смолы – особые синтетические полимеры.

Ионообменная хроматография имеет два варианта – анионный (задерживает отрицательные ионы) и катионный (задерживает соответственно положительные ионы). Применяется данный метод чрезвычайно широко: в разделении электролитов, редкоземельных и трансурановых элементов, в очистке воды, в анализе лекарственных препаратов.

Различие методов по технике проведения

Существуют два основных способа, посредством которых проба перемещается относительно неподвижной фазы:

Колоночная хроматография осуществляет процесс разделения в особом устройстве – хроматографической колонке – трубке, во внутренней полости которой помещается неподвижный сорбент. По способу заполнения колонки подразделяются на два типа: насадочные (так называемые «набивные») и капиллярные, в которых слой твердого сорбента или жидкостная пленка неподвижной фазы наносится на поверхность внутренней стенки. Насадочные колонки могут иметь различную форму: прямую, U-образную, спиральную. Капиллярные колонки имеют спиральную форму.
Плоскостная (планарная) хроматография. В качестве носителя для неподвижной фазы в данном случае может применяться специальная бумага либо пластина – металлическая, стеклянная, пластиковая – на которую нанесен тонкий слой сорбента. Метод хроматографии при этом именуется соответственно бумажным или тонкослойным.

В отличие от колоночного метода, где хроматографические колонки используются многократно, в плоскостной хроматографии любой носитель со слоем сорбента может быть использован только один раз. Процесс разделения происходит при погружении пластины или листа бумаги в емкость с элюентом.

Ввод и перемещение элюента

От этого фактора зависит характер перемещения по слою сорбента хроматографических зон, образующихся при разделении смеси. Различают следующие методы подачи элюента:

Фронтальный. Этот способ наиболее прост по технике выполнения. Подвижной фазой служит непосредственно сама проба, непрерывно подаваемая в колонку, заполненную сорбентом. При этом наименее удерживаемый компонент, адсорбируемый хуже прочих, перемещается вдоль сорбента быстрее остальных. В итоге только этот первый компонент может быть выделен в чистом виде, далее следуют зоны, содержащие смеси компонентов. Распределение пробы выглядит таким образом: A; A+B; A+B+C и так далее. Фронтальная хроматография не применяется поэтому для разделения смесей, но она эффективна в различных процессах очистки, при условии, что выделяемое вещество имеет низкую удерживаемость.
Вытеснительный метод отличается тем, что после ввода разделяемой смеси в колонку подается элюент со специальным вытеснителем – веществом, характеризующимся большей сорбируемостью, чем любой из компонентов смеси. Оно вытесняет наиболее удерживаемый компонент, тот вытесняет следующий и так далее. Проба движется по колонке со скоростью вытеснителя и образует примыкающие друг к другу зоны концентрации. С помощью этого вида хроматографии можно получить на выходе из колонки каждый компонент индивидуально в жидком виде.
Элюентный (проявительный) метод является наиболее распространенным. В отличие от вытеснительного метода, элюент (носитель) в данном случае имеет меньшую сорбируемость, чем компоненты пробы. Он непрерывно пропускается через слой сорбента, промывая его. Периодически порциями (импульсами) в поток элюента вводится разделяемая смесь, после чего снова подается чистый элюент. При вымывании (элюировании) происходит разделение компонентов, причем зоны концентрации их разделены зонами элюента.

Элюентная хроматография дает возможность практически полного разделения анализируемой смеси веществ, причем смесь может быть многокомпонентной.

Также достоинствами этого метода являются изоляция компонентов друг от друга и простота количественного анализа смеси.

К недостаткам можно отнести большой расход элюента и низкую концентрацию в нем компонентов пробы после разделения на выходе из колонки. Элюентный метод широко применяется как в газовой, так и в жидкостной хроматографии.

Различие по целям хроматографирования позволяет выделить такие методы, как аналитический, препаративный и промышленный.

Посредством аналитической хроматографии проводится качественный и количественный анализ смесей. При анализе компоненты пробы при выходе из колонки хроматографа поступают на детектор – устройство, чувствительное к изменению концентрации вещества в элюенте.

Время, прошедшее от момента подачи пробы в колонку до максимума пика концентрации вещества на детекторе, называется временем удерживания. При условии постоянства температуры колонки и скорости элюента эта величина постоянна для каждого вещества и служит основой для качественного анализа смеси.

Количественный анализ проводится путем измерения площади отдельных пиков на хроматограмме. Как правило, в аналитической хроматографии используется элюентный метод.

Препаративная хроматография имеет целью выделение чистых веществ из смеси. Препаративные колонки имеют гораздо больший диаметр, чем аналитические.

Промышленная хроматография применяется, во-первых, для получения больших количеств чистых веществ, необходимых в том или ином производстве. Во-вторых, это важная часть современных систем контроля и регулирования технологических процессов.

Промышленный хроматограф имеет шкалу концентрации того или иного компонента и снабжен датчиком, а также системами управления и регистрации. Поступление проб на такие хроматографы производится автоматически с определенной периодичностью.

Многофункциональное оборудование для хроматографии

Современные хроматографы представляют собой сложные высокотехнологичные устройства, способные к применению в самых различных областях и с различными целями. Эти приборы позволяют анализировать сложные многокомпонентные смеси. Они оснащены широким набором детекторов: термокондуктометрическими, оптическими, ионизационными, масс-спектрометрическими и так далее.

Кроме того, в современной хроматографии используются автоматические системы управления процессом анализа и обработки хроматограмм. Управление может производиться с компьютера либо непосредственно с прибора.

Примером такого устройства является многофункциональный газовый хроматограф «Кристалл 5000».

[attention type=yellow]

Он имеет набор из четырех детекторов с возможностью замены, колоночный термостат, системы электронного регулирования давления и расхода рабочих веществ, а также управления газовыми кранами.

[/attention]

Для решения разнообразных задач устройство имеет возможность установки как насадочных, так и капиллярных колонок.

Хроматограф управляется при помощи полнофункциональной клавиатуры и контрольного дисплея либо (в другой модификации) с персонального компьютера. Это устройство нового поколения может эффективно применяться на производстве и в различных научно-исследовательских лабораториях: медицинских, криминалистических, экологических.

Хроматография высокого давления

Проведение жидкостной колоночной хроматографии характеризуется довольно большой длительностью процесса. Для ускорения движения жидкого элюента применяют подачу подвижной фазы в колонку под давлением. Этот современный и весьма перспективный способ получил название метода высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ).

Насосная система, входящая в состав жидкостного хроматографа для ВЭЖХ, обеспечивает подачу элюента с постоянной скоростью. Развиваемое давление на входе может достигать 40 Мпа. Компьютерное управление дает возможность менять состав подвижной фазы по заданной программе (такой метод элюирования называется градиентным).

ВЭЖХ могут применяться различные методы, основанные на характере взаимодействия сорбента и сорбата: распределительная, адсорбционная, эксклюзионная, ионообменная хроматография. Наиболее распространенной разновидностью ВЭЖХ является обращенно-фазовый метод, основанный на гидрофобном взаимодействии полярной (водной) подвижной фазы и неполярного сорбента, например силикагеля.

Метод широко применяется для разделения, анализа, контроля качества нелетучих, термически неустойчивых веществ, которые не могут быть переведены в газовое состояние. Это агрохимикаты, лекарственные препараты, компоненты пищевых продуктов и прочие сложные вещества.

Значение хроматографических исследований

Различные виды хроматографии широко используются в самых разных областях:

неорганическая химия;
нефтехимия и горное дело;
биохимия;
медицина и фармацевтика;
пищевая промышленность;
экология;
криминалистика.

Список этот неполон, но отражает охват отраслей, которые не могут обойтись без хроматографических методов анализа, разделения и очистки веществ. Во всех областях применения хроматографии, от научных лабораторий до промышленного производства, роль этих методов еще более возрастает по мере внедрения современных технологий обработки информации, управления и контроля над сложными процессами.

Хроматографический метод анализа

Выделение индивидуальных химических соединений из смесей различного происхождения всегда было и остаётся одной из основных задач химии. Прежде чем начать подробное исследование какого-либо вещества, необходимо, как правило, выделить его в возможно более чистом виде и в достаточном количестве.

В природных условиях вещества находятся главным образом в смесях, а продукты синтеза и других химических реакций обычно также не получаются сразу в чистом виде. Исходные смеси веществ могут быть чрезвычайно сложным по составу.

Поэтому разделение смесей на отдельные компоненты является для химика одной из наиболее частых работ.

Таким образом, методы разделения имеют важное значение, как в промышленности, так и в лабораторных работах препаративного и аналитического характера.

Одним из методов разделения сложных смесей органических и неорганических веществ на отдельные компоненты является хроматографический метод.

Метод разработан в 1903 году Михаилом Цветом, который показал, что при пропускании смеси растительных пигментов через слой бесцветного сорбента индивидуальные вещества располагаются в виде отдельных окрашенных зон. Полученный таким образом послойно окрашенный столбик сорбента Цвет назвал хроматограммой, а метод – хроматографией.

Хроматография

Хроматография — это физико-химический метод разделения и анализа смесей, основанный на распределении их компонентов между двумя фазами – неподвижной и подвижной (элюент), протекающий через неподвижную.

Ряд видов хроматографий осуществляется с помощью приборов называемых хроматографами. Хроматографы используют для анализа и для препаративного разделения смесей веществ.

Хроматографы

Хроматографы – это приборы или установки для хроматографического разделения и анализа смесей веществ.

Основными частями хроматографа являются: система для ввода исследуемой смеси веществ (пробы); хроматографическая колонка; детектирующее устройство (детектор); системы регистрации и термостатирования; для препаративных (в т.

ч. производственных) хроматографов, кроме того, отборные приспособления и приёмники для разделённых компонентов.

[attention type=red]

В соответствии с агрегатным состоянием используемой подвижной фазы существуют газовые и жидкостные хроматографы.

[/attention]

Для анализа и разделения веществ переходящих без разложения веществ, переходящих без разложения в парообразное состояние, получила газовая хроматография, где в качестве элюента (газа-носителя) используется гелий, азот, аргон, и др. газы.

В жидкостной колоночной хроматографии в качестве элюента применяют легколетучие растворители (напр., углеводороды, эфиры, спирты).

Газовый хроматограф

Принципиальная схема газового хроматографа приведена на рисунке 1.

В газовом хроматографе газ — носитель из баллона через регуляторы расхода и давления непрерывно с постоянной или переменной скоростью подаётся в хроматографическую колонку – трубку, заполненную сорбентом и помещённую в термостат позволяющий поддерживать заданную температуру

Рисунок 1. Схема газового хроматографа.

1 — баллон с инертным газом; 2 — устройство для ввода пробы в хроматограф; 3 — хроматографическая колонка; 4 — термостат; 5 — детектор; 6 — преобразователь сигналов; 7 — регистратор.

Ввод газообразной пробы (1 – 50 куб. см) и жидкой (неск. мкл.) осуществляется либо вручную (газовым шприцем или микрошприцем), либо автоматически – при помощи микродозаторов. В хроматографической колонке происходит разделение многокомпонетной смеси на ряд бинарных смесей, состоящих из газа – носителя и одного из анализируемых компонентов.

Бинарные смеси в определённой последовательности, зависящей от сорбируемости компонентов, поступают в детектор. В результате происходящих в детекторе процессов (изменение теплопроводности, ионизационного тока и др.

) фиксируется изменение концетрации выходящих компонентов; преобразованные в электрический сигнал, эти процессы записываются в виде выходной кривой.

Хроматографические колонки

Хроматографическая колонка – “сердце” хроматографа, в ней и происходит собственно разделение смеси. Колонки подразделяются на упаковочные (набивные) и капилярные. Изготавливают их из стеклянных, стальных, полиэтиленовых, тефлоновых и иногда медных трубок.

Термостат

Подвижность разделяемых компонентов в колонке в большей степени зависит от температуры, поэтому, чтобы элюирование длилось приемлемое время, в колонке необходимо поддерживать выбранную температуру. Область рабочих температур чрезвычайно обширна – от температуры жидкого азота и до 400 °С и более в соответствии с природой хроматографируемых соединений и конструкцией прибора.

Выбранная температура должна поддерживаться постоянной в очень узком интервале (± 0,1 °С). Современные термостаты вполне позволяют поддерживать температуру с такой степенью точности. Хроматографические термостаты снабжены воздушным нагревателем и вентилятором. Преимущество таких термостатов – их чувствительность при работе при высоких температурах.

Детекторы

Хроматографический детектор – это прибор, преобразующий результаты разделения в форму, удобную для регистрации самописцем.

Поскольку принцип действия хроматографических детекторов может быть самым разным, детекторы трудно сравнивать. Однако существуют несколько общих критериев.

Это селективность, чувствительность, реакция, шум, нижний предел детектирования (наименьшее детектирующее количество) и линейность отклика. Последняя характеристика зависит от принципа работы детектора.

Для количественной работы почти каждый детектор требует калибровки, необходимой для определения поправочных коэффициентов.

Рисунок 2. Схема катарометра.

[attention type=green]

1 — ввод газа из колонки; 2 — выход в атмосферу; 3 — нить сопротивления; 4 — изолятор; 5 — металлический блок.

[/attention]

ДТП – детектор по теплопроводности (катарометр, рисунок 2) – принцип действия основан на сравнении теплопроводности чистого газа — носителя и бинарной смеси состоящей из газа-носителя и одного из компонентов анализируемой смеси, различие теплопроводности приводит к разбалансу моста, что служит сигналом детектора. Чувствительные элементы детектора включены по мостовой схеме (R1,R2,C1,C2), показанной на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема моста.

С1, С2 — измерительные ячейки; R1, R2 — сравнительные ячейки; 1 — вход газа из колонки; 2 — ввод чистого газа — носителя; 3 — установка нуля; 4 — миллиамперметр; 5 — регулятор тока, проходящего через нити; 6 — источник тока; 7 — вывод на самописец.

ДИП – детектор ионизации в пламени (рисунок 4) – принцип действия основан на изменении электропроводности водородо — воздушного пламени.

Рисунок 4. Схема ионизационного детектора.

1 — источник ионизации; 2 — область между электродами; 3 — электрометр; 4 — самописец; 5 — источник напряжения ионизации; 6 — источник компенсационного потенциала; Ео — измеряемое напряжение; R1 — электрическое сопротивление среды; R2 — измеряемое сопротивление.

Существуют и другие детекторы (ДЭЗ, ТИД, ДИР, ДПР, ПФД и др.), но ДТП и ДИП наиболее чаще используемые (ОАО “КАУСТИК”) в газовой хроматографии.

Для жидкостной хроматографии используют детекторы: кондуктометрический, фотометрический (спектрофотометрический), рефрактометрический и др. Подачу подвижной фазы – растворителя осуществляют при помощи беспульсационных систем (давление до 50 МПа), а ввод пробы – микрошприцем или переключающимся краном

Рисунок 5. Схема Пламенно — ионизационного детектора.

1 — ввод водорода; 2 — ввод газа из колонки; 3 — ввод воздуха; 4 — вывод в атмосферу; 5 — катод; 6 — собирающий электрод.

Регистраторы

Компонент смеси, поступаюший из колонки, с помощью детектора трансформируется в изменение некоторого электрического параметра, как правило, напряжения.

Изменение этого параметра во времени регистрируется, и полученную хроматограмму можно обрабатывать как качественно, так и количественно.

Регистрируют хроматограммы самопишущие потенциометры, которые дают длительную запись отклика детектора как функции времени.

[attention type=yellow]

В хроматографии можно применять лишь те самописцы, которые отвечают определённым требованиям: это высокая скорость регистрации; воспроизводимое отклонение пера при подаче одного и того же напряжения; линейная зависимость по всей шкале; высокая чувствительность, т.е. отклонение пера при очень маленьком изменении потенциала.

[/attention]

Основной недостаток самописцев – ограниченная линейная область. Именно по этой причине такое большое внимание уделялось разработке методов регистрации сигналов детекторов без применения переключения диапазонов. К приборам такого типа относятся, в частности, цифровые интеграторы.

Терминология

Основные термины и понятия относящиеся к хроматографии, а также области их применения были систематизированы и унифицированы специальной комиссией ИЮПАК[1]. Согласно рекомендациям ИЮПАК, термин «хроматография» имеет три значения и используется для обозначения специального раздела химической науки, процесса, а также метода.

Хроматография — наука о межмолекулярных взаимодействиях и переносе молекул или частиц в системе несмешивающихся и движущихся друг относительно друга фаз.

Хроматография — процесс дифференцированного многократного перераспределения веществ или частиц между несмешивающимися и движущимися относительно друг друга фазами, приводящий к обособлению концентрационных зон индивидуальных компонентов исходных смесей этих веществ или частиц.

Хроматография — метод разделения смесей веществ или частиц, основанный на различиях в скоростях их перемещения в системе несмешивающихся и движущихся относительно друг друга фаз.[править | править вики-текст]

Колонка — содержит хроматографический сорбент, выполняет функцию разделения смеси на индивидуальные компоненты.
Элюент — подвижная фаза (растворитель или смесь растворителей): газ, жидкость или (реже) сверхкритический флюид.
Неподвижная фаза — твердая фаза или жидкость, связанная на инертном носителе, в адсорбционной хроматографии — сорбент.
Хроматограмма — результат регистрирования зависимости концентрации компонентов на выходе из колонки от времени.
Детектор — устройство для регистрации концентрации компонентов смеси на выходе из колонки.
Хроматограф — прибор для проведения хроматографии.

Классификация видов хроматографии

Существуют различные способы классификации хроматографических методов. I. По физической природе неподвижной и подвижной фаз: 1.

жидкостная хроматография (если подвижная фаза жидкая) Жидкостную хроматографию в свою очередь можно разделить в зависимости от агрегатного состояния неподвижной фазы на твердо-жидкофазную (ТЖХ) — неподвижная фаза твердая и жидко-жидкофазную хроматографию (ЖЖХ) — неподвижная фаза жидкая. ЖЖХ часто называют распределительной хроматографией. 2.

газовая хроматография (если подвижная фаза газообразная). Газовую хроматографию в зависимости от агрегатного состояния неподвижной фазы делят на газоадсорбционную (ГТХ, ГАХ) и газожидкостную (ГЖХ) или газораспределительную. II. В зависимости от способа перемещения сорбатов вдоль слоя сорбента различают: 1.

проявительный (элюентный)- при его использовании пробу исследуемой смеси вводят порцией в начальной точке (вход в колонку) на слой хроматографической насадки (сорбента).

Под действием потока подвижной фазы зона пробы начинает перемещаться вдоль колонки, причем скорости перемещения отдельных компонентов пробы обратно пропорциональны величинам соответствующих им констант распределения. 2.

фронтальный — при этом разделяемая смесь непрерывно поступает на слой сорбента в начальной точке и, таким образом, фактически играет роль подвижной фазы. 3.

вытеснительный — методика проведения разделения вытеснителъным методом аналогична методике проведения разделения проявительным методом, но без использования несорбирующегося элюента (подвижной фазы). Перемещение хроматографических зон достигается путем вытеснения компонентов разделяемой смеси веществом, которое сорбирует сильнее любого из этих компонентов. Каждый компонент этой пробы вытесняет компоненты, которые взаимодействуют с неподвижной фазой менее сильно, чем он сам. 4. электрохроматография — хроматографический процесс, при котором движение заряженных частиц осуществляется под действием приложенного напряжения. Скорость движения частиц определяется их массой и зарядом. Для аналитических целей наиболее широко используется элюентный (проявительный) метод хроматографирования.

III. В зависимости от природы процесса, обусловливающего распределение сорбатов между подвижной и неподвижной фазами, различают: 1. адсорбционная хроматография — разделение за счет адсорбции основано на различии адсобируемости компонентов смеси на данном адсорбенте; 2.

распределительная хроматография — разделение основано на различии в растворимости сорбатов в подвижной и неподвижной фазах или на различии в стабильности образующихся комплексов; 3. ионообменная хроматография — разделение основано на различии констант ионообменного равновесия; 4.

осадочная хроматография — разделение основано на различной растворимости осадков в подвижной фазе; 5. аффинная хроматография — основана на биоспецифическом взаимодействии компонентов с аффинным лигандом; 6.

эксклюзионная хроматография — разделение основано на различии и проницаемости молекул разделяемых веществ в неподвижную фазу. Компоненты элюируются в порядке уменьшения их молекулярной массы.

В зависимости от механизма сорбции, по которой хроматография подразделяется на молекулярную, ситовую, хемосорбционную и ионообменную.В молекулярной хроматографии природой сил взаимодействия между неподвижной фазой (сорбентом) и компонентами разделяемой смеси являются межмолекулярные силы типа сил Ван-дер-Ваальса.

К хемосорбционной хроматографии относят осадочную, комплексообразовательную (или лигандообменную), окислительно-восстановительную. Причиной сорбции в хемосорбционной хроматографии являются соответствующие химические реакции.

По технике выполнения (характеру процесса) различают: колоночную хроматографию (неподвижная фаза находится в колонке); плоскостную (планарную) — бумажную и тонкослойную (неподвижная фаза — лист бумаги или тонкий слой сорбента на стеклянной или металлической пластинке); капиллярную хроматографию (разделение происходит в пленке жидкости или слое сорбента, размещенном на внутренней стенке трубки); хроматографию в полях (электрических, магнитных, центробежных и других сил).
В зависимости от цели проведения хроматографического процесса различают аналитическую, неаналитическую, препаративную и промышленную хроматографию.Аналитическая хроматография предназначена для определения качественного и количественного состава исследуемой смеси.

По агрегатному состоянию фаз

По рабочему давлению

Хроматография низкого давления (FPLC)
Хроматография высокого давления (HPLC)
Хроматография ультравысокого давления (UHPLC)

По способу ввода пробы

Элюентная хроматография (проявительная, редк. элютивная)

Наиболее часто используемый вариант проведения аналитической хроматографии. Анализируемую смесь вводят в поток элюента в виде импульса . В колонке смесь разделяется на отдельные компоненты, между которыми находятся зоны подвижной фазы.

Фронтальная хроматография

Смесь непрерывно подают в колонку, при этом на выходе из колонки только первый, наименее удерживаемый компонент можно выделить в чистом виде. Остальные зоны содержат 2 и более компонентов. Родственный метод — твердофазная экстракция (сорбционное концентрирование).

Вытеснительная хроматография

В колонку после подачи разделяемой смеси вводят специальное вещество-вытеснитель, которое удерживается сильнее любого из компонентов смеси. Образуются примыкающие друг к другу зоны разделяемых веществ.

См. также

Рудаков О.Б. Востров И.А. Спутник хроматографиста. — Воронеж: Водолей, 2004. — 528 с. — ISBN 5-88563-049-6.
Яшин Я. И., Яшин Е. Я., Яшин А. Я. Газовая хроматография. — М., 2009. — 528 с. — ISBN 978-5-94976-825-9.
Долгоносов А. М.
«Методы колоночной аналитической хроматографии» — учебное пособие для студентов химических специальностей, Дубна ,2009г.