Хроматография. В зависимости от своей природы вещества по-разному адсорбируются на различных адсорбентах

В зависимости от своей природы вещества по-разному адсорбируются на различных адсорбентах. На различиях в адсорбционной способности веществ основан важнейший современный аналитический метод, называемый хроматографией. Основы его заложены в работах русского ботаника М.С.Цвета, впервые применившего этот метод для анализа и разделения составных частей хлорофилла. Хроматография - один из немногих аналитических методов, который позволяет анализировать сложные смеси веществ; кроме того, она позволяет разделять смеси веществ и концентрировать их отдельные компоненты.

Хроматография - физико-химический метод разделения, концентрирования и анализа смесей веществ, основанный на различиях в распределении разделяемых веществ между подвижной и неподвижной фазами.

Смесь веществ вводится в устройство (хроматографическую колонку), содержащее неподвижную фазу (твердый адсорбент). Через колонку пропускается подвижная фаза (жидкий растворитель или газ). При перемещении подвижной фазы по колонке на твердом носителе чередуются процессы адсорбции веществ и их десорбции под действием новых порций подвижной фазы. Каждый компонент смеси будет распределяться между подвижной и неподвижной фазами в соответствии с его сродством к этим фазам. Чем больше сродство вещества к неподвижной фазе и меньше к подвижной фазе, тем меньше скорость его перемещения по колонке вместе с подвижной фазой. Различия в адсорбционной способности компонентов приведут к появлению на неподвижной фазе отдельных зон, содержащих разделяемые компоненты смеси. Из колонки каждая фракция, содержащая отдельный компонент смеси, будет выходить в свою очередь. Эти фракции можно собрать по отдельности и при необходимости с помощью других методов физико-химического анализа определить концентрацию каждого вещества.

Подбирая природу неподвижной и подвижной фаз и условия хроматографирования (скорость движения подвижной фазы, температуру, время разделения), можно добиться разделения веществ с очень близкими физико-химическими свойствами и определить их содержание в смеси.

Хроматографические методы очень разнообразны.

По цели проведения различают аналитическую хроматографию, призванную определить качественный и количественный состав смеси веществ, и препаративную хроматографию, предназначенную выделять из смеси отдельные компоненты или очищать вещество от примесей.

По агрегатному состояниюподвижной фазы хроматографию делят на газовую и жидкостную.

В газовой хроматографии подвижной фазой служит газ, а неподвижной фазой - твердый гранулированный адсорбент, которым заполняется хроматографическая колонка. Газовую хроматографию применяют для разделения летучих термически устойчивых веществ с относительно небольшой молекулярной массой.

Для проведения газовой хроматографии используют газовый хроматограф (рис.18). Анализируемая смесь вводится в испаритель и с потоком газа-носителя попадает в колонку с неподвижной фазой, помещенную в термостат. Для увеличения эффективности разделения компонентов смеси используют колонки большой протяженности в виде спирали. На выходе из колонки помещают детектор, который измеряет какое-либо физическое свойство газового потока (теплопроводность, ионизацию вещества в пламени, захват веществом электронов и др.) и преобразует его в электрический сигнал, фиксируемый самописцем в виде хроматограммы (рис.19). Поскольку каждый компонент смеси движется к выходу из колонки с определенной скоростью, хроматограмма представляет собой несколько пиков. Каждый пик соответствует выходу из колонки определенного компонента смеси, а площадь пика пропорциональна его содержанию.

2 6

Проба

Газ-носитель

1 3 4 5

Рис.18. Схема газового хроматографа:

1 – дозатор; 2 – колонка; 3 – детектор; 4 – электронный

преобразователь сигнала; 5 – самописец; 6 - термостат.

С_нф С

3

1 1 2 3

С_пф t

Рис.19. Линейные изотермы сорбции трехкомпонентной смеси

и соответствующие им пики на хроматограмме.

Идентификацию вещества проводят по времени удерживания, которое сравнивают со временем удерживания эталона при его хроматографировании в тех же условиях. Относительное содержание каждого компонента в смеси находят, сравнивая площадь его пика к сумме площадей всех пиков, присутствующих на хроматограмме.

Разновидностью газовой хроматографии является газо-жидкостная хроматография, при которой подвижной фазой является газ, а неподвижной - нелетучая жидкость, нанесенная в виде тонкого слоя на твердый носитель.

В жидкостной хроматографии подвижной фазой служит жидкость, а неподвижной фазой - твердый гранулированный адсорбент. Жидкостную хроматографию применяют для разделения органических и неорганических веществ, в том числе и термически неустойчивых, а также веществ с большой молекулярной массой.

В классическом варианте жидкостной хроматографии, который отличается простотой аппаратурного оформления, жидкость (раствор) самотеком пропускают через колонку, собирая отдельные порции на ее выходе. Более современный вариант высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) использует прокачку жидкой фазы через колонку с помощью специального насоса; по своему оформлению ВЭЖХ похожа на газовую хроматографию.

Разновидностью жидкостной хроматографии является жидкостно-жидкостная хроматография, в которой подвижной фазой служит жидкость, а неподвижной - тонкий слой жидкого адсорбента, нанесенный на твердый носитель.

По применяемой технике жидкостную хроматографию делят на колоночную, тонкослойную и бумажную.

В колоночной хроматографии собирают отдельные порции на выходе из колонки, заполненной твердым гранулированным носителем. Хроматограмму получают с помощью различных детекторов, измеряющих различные физические свойства жидкой фазы (электропроводность, оптическую плотность и др.).

В тонкослойной хроматографии в качестве твердого носителя выступает тонкий слой силикагеля, оксида алюминия или различных полимеров, нанесенный на пластинку. Вблизи нижнего края пластинки на слой сорбента наносят пятно анализируемой смеси. После высыхания пятна пластинку погружают в емкость с подвижной фазой, которая начинает подниматься по пластинке под действием капиллярных сил. Вместе с подвижной фазой по пластинке перемещаются компоненты смеси, причем с разными скоростями, которые определяются их сорбционными свойствами. После того, как фронт подвижной фазы достигнет верхнего края пластинки, ее вынимают, высушивают и при необходимости обнаруживают разделенные зоны по собственной окраске или обработкой окрашивающим реагентом. Хроматограмма имеет вид нескольких окрашенных пятен различного размера. Отношение пути, пройденного данным веществом, к пути, пройденному подвижной фазой, служит для идентификации вещества (путем сравнения с эталоном), а размер пятна и интенсивность его окрашивания пропорциональны содержанию данного компонента в смеси.

Рис.20. Тонкослойная хроматография.

Тонкослойная хроматография, простая в исполнении, доступная и надежная, включена в качестве стандартного метода анализа лекарственных препаратов в Государственную фармакопею России.

Наряду с тонкослойной хроматографией используется близкая к ней по технике исполнения бумажная хроматография. В бумажной хроматографии в качестве твердого носителя используется особая хроматографическая бумага, отличающаяся однородностью состава и ориентации целлюлозных волокон. Неподвижной фазой в этом случае служит или сама бумага, или адсорбированная ей вода.