Основи хроматографії; принциповий пристрій газового хроматографа
Хроматографія (від грец. Chromatos-колір) - фізико-хімічний метод розділення і аналізу сумішей, заснований на розподілі їх компонентів між двома фазами - нерухомої і рухомої.
Метод розроблений в 1903 Г.М. Кольором, який показав, що при пропусканні суміші рослинних пігментів через шар безбарвного сорбенту індивідуальні речовини розташовуються у вигляді окремих забарвлених зон. Отриманий таким чином пошарово забарвлений стовпчик сорбенту Колір назвав хроматограмою, а метод - хроматографією. Згодом термін «хроматограмма» стали відносити до різних способів фіксації результатів видів хроматографії. Однак аж до 40 - х рр.. храмотографія не отримала належного розвитку. Лише в 1941 р. А. Маршін і Р. Синг відкрили метод розподільної хроматографії і показали його широкі можливості для дослідження білків і вуглеводів. У 50-і рр.. Мартін і американський учений А. Джеймс розробили метод газо - рідинної хроматографії.
Залежно від природи взаємодії, що обумовлює розподіл компонентів між елюентом і нерухомою фазою, розрізняють такі основні види: адсорбційну, розподільну, іонообмінну, ексклюзіонную (молекулярно - ситову) і осадову.
Адсорбційна хроматографія заснована на різниці сорбіруємості поділюваних речовин адсорбентом (тверде тіло з розвиненою поверхнею);
розподільна хроматографія - на різній розчинності компонентів суміші в нерухомій фазі (високою рідина, нанесена на твердий макропористий носій) і елюента;
іонообмінна - на відмінності констант іонообмінного рівноваги між нерухомою фазою і компонентами поділюваної суміші;
ексклюзіонная (молекулярно - ситова) - на різній проникності молекул компонентів в нерухому фазу. Ексклюзіонная хроматографія підрозділяється на гель - проникаючу (ЦПХ), в якій елюент - неводний розчинник. Осадова хроматографія заснована на різній здатності поділюваних компонентів випадати в осад на твердій нерухомій фазі.
Відповідно до агрегатним станом алюента розрізняють газову і рідинну хроматографію. Залежно від агрегатного стану нерухомої фази газова х. буває газо - адсорбційної (нерухома фаза - твердий адсорбент) та газо-рідинної (нерухома фаза - рідина), а рідинна х. - Рідинно - адсорбційної. До твердо - рідинної х. відносяться тонкошарова і паперова.
Розрізняють колоночной і площинну х. У колоночной сорбентом заповнюють спеціальні трубки - колонки, а рухома фазадвіжется всередині колонки завдяки перепаду тиску, Різновид колоночной х. - Капілярна, коли тонкий шар сорбенту наноситься на внутрішні стінки капілярної трубки. Площинна х. підрозділяється на тонкошарову і паперову. У тонкошарової х. тонкий шар гранульованого сорбенту або пориста плівка наноситься на скляну або металеві пластинки: у разі паперової х. використовують спеціальну хроматографическую папір. У площинний х. переміщення рухомої фази присходит завдяки капілярним силам.
При хроматографирования можлива зміна за заданою програмою температури складу елюента, швидкості його протікання.
Залежно від способу переміщення суміші, вздовж шару сорбенту розрізняють слід. варіанти х.: фронтальний, проявительного і витіснювальний.
При фронтальному варіанті в шар сорбенту безперервно вводиться суміш, що складається з газу - носія і поділюваних компонентів;
при проявительного варіанті через шар сорбенту безперервно фінальні потік елюента і періодично в шар сорбенту вводиться суміш речовин. Через певний час відбувається поділ вихідної суміші на чисті речовини, розташовані від. Зонами на на сорбенті, між якими знаходяться зони елюента. При витіснювальний варіанті в сорбент вводиться суміш, а потім потік газу - носія, що містить витіснювач (елюент), при русі якого суміш через період часу розділиться на зони чистих речовин, між якими виявляться зони їх суміші. Ряд видів х. яких здійснюються за допомогою приладів, називаються хроматографами, в більшості з яких реалізується проявительного варіант х. Хроматографи використовують для аналізу і для препаративного розділення сумішей вещест. При аналізі розділені у колонці хроматографа речовини разом з елюентом потрапляють через різні проміжки часу у встановлений на виході з хроматографічної колонки детектуючі пристрій, що реєструє їх конценраціі в часі. Отриману в результаті цього вихідну криву, наз. Хромотограммой. Для якості хроматографічні аналізу визначають час від моменту введення проби до виходу кожного компонента з елюента. Для кількості аналізу визначають висоти при площі хроматографічних піків з урахуванням коефіцієнтів чутливості використовуваного детектуючого пристрою до аналізованих речовин.
Для аналізу і розділення речовин, що переходять без розкладання в пароподібний стан, найбільше застосування отримала х., Де в якості елюента (газу-носія) використовуються гелій, азот, аргон, та інші гази. Для газо-адсорбційного варіанту х в якості сорбенту (частинки діаметром 0,1 - 0,5 мм) використовують силікагелі, алюмогелі, молекулярні сита, пористі полімери та ін сорбенти. Для газо - рідинної х. сорбент готують нанесенням рідини у вигляді плівки. (Висококиплячі вуглеводні, складні ефіри, силоксан) товщиною неск. мкм на твердий носій. Робочі температурні межі для газо - адсорбційного варіанту х. від -70 до 600 ° С, для газорідинного від - 20 до 400 ° С.
У рідинної колоночной х. в якості елюента застосують легколетучие розчинники (вуглеводні, ефіри, спирти), а в якості нерухомої фази - силікагелі.
Рідинна молекулярно-ситова х. відрізняється використанням сорбентів, що мають пори строго певного розміру.
У тонкошарової та паперової Х. досліджувану суміш в рідкому вигляді наносять на стартову лінію, потім розділяють на компоненти висхідним або низхідним потоком елюента. Подальше виявлення (прояв) розділених речовин на хроматограмме здійснюють за допомогою ультрафіолетової спектроскопії, інфрачервоної спектроскопії або обробкою реактивами, утворені забарвлені сполуки.
Якісний склад сумішей за допомогою цих видів х. характеризують певною швидкістю переміщення плям речовин относмітельно швидкості руху розчинника в даних умовах. Кількостей. аналіз здійснюють виміром інтенсивності забарвлення речовини на хроматограмі.
Х. широко застосовується в лабораторіях і в промис-ти для якостей. і кількостей. аналізу багатокомпонентних систем, контролю виробництва.
Газова х. застосовується для газів розділення, визначення домішок шкідливих речовин в повітрі, воді, грунті, визначення складу продуктів нафтохімічного синтезу, вихлопних газів, а також в криміналістиці.
Газова х. застосовується також для визначення фізико-хім. характеристик сполук: теплоти розчинення.
Тонкошарова і паперова хроматографія використовуються для аналізу жирів, вуглеводів, білків і неорганічних сполук.
У деяких випадках для ідентифікації речовин використовується х. в поєднанні з ін фізико-хім. і фіз. методами (мас-спектрометрією).
Колір прийшов до висновку, що потрібен багаторазовий адсорбційний процес і зробив свій історичний досвід. У трубку з порошком крейди він залив розчин пігментів. У верхній частині утворилося забарвлене кільце. Потім у трубку він став безперервно подавати бензол. Пігменти частково розчинялися в ньому, опускалися, адсорбувати іншими зернами крейди, знову розчинялися в нових порціях бензолу, і знову опускалися по трубці. Але так як різні речовини по-різному витягувалися бензолом з адсорбенту, вони опускалися по трубці з різною швидкістю. Тому початкове зелене кільце, опускаючись, поступово розширювалося і поділялося на кілька різнокольорових кілець. Цих кілець виявлялося шість: верхнє жовте, потім оливково-зелене, далі темно-зелене і три жовтих. Колір витягнув шар адсорбенту з трубки, розрізав його на циліндрики, в кожному з яких виявилося своє кольорове кільце. Тепер можна було витягти речовини з адсорбенту спиртом і досліджувати. В результаті Колір показав, що хлорофіл - це не індивідуальна сполука, а суміш двох речовин, які розділилися на колонці і дали оливково-зелене і темно-зелені кільця.
Колір розробив метод хімічного аналізу, який дозволяє висвітлити природні процеси. Колір назвав отриману при поділі речовин різнобарвну картинку хроматограмою, а а сам метод - хроматографічним адсорбційним аналізом або хроматографією, яке в перекладі з грецького означає «кольоропис». Головне - це можливість розділення речовин за їх схильності до адсорбції.
Хроматографи - прилади або установки для хроматографічного розділення і аналізу сумішей речовин. Основними частинами хроматографа є: система для введення досліджуваної суміші речовин (проби); хроматографічна колонка: детектуючі пристрій (детектор); системи реєстрації і термостатування: для виробничих х., Крім того добірні пристосування і приймачі для розділених компонентів.
Відповідно до агрегатним станом використовуваної рухомої фази існують газові і рідинні хроматографи. У переважній кількості х. реалізується проявительного варіант хроматографії.
У газовому хроматографі газ-носій з балона через регулятори витрати і тиску безперервно з постійною або змінною швидкістю подається в хроматографічну колонку-трубку (діаметром 2-5 мм), заповнену сорбентом і поміщену в термостат, що дозволяє підтримувати задану температуру (аж до 500 ° С ).
Принципова схема газового хроматографа:
1-балон з інертним газом;
2-пристрій для введення проби в хроматографічну колонку;
3-хроматографічна колонка;
4-термостат;
5-детектор;
6-перетворювач сигналів;
7-реєстратор.
Введення газоподібної проби і рідкої здійснюється або вручну (газовим шприцом або мікро-шприцом), або автоматично - за допомогою мікродозаторов. У хроматографічної колонці відбувається розділення вихідної багатокомпонентної суміші на ряд бінарних сумішей, що складаються з газу-носія і одного з аналізованих компонентів. У результаті відбуваються в детекторі процесів (зміни теплопровідності), фіксується зміна концентрації виходять компонентів: перетворені в електричний сигнал, ці процеси записуються у вигляді вихідний кривій.
Найбільш поширені детектори газових х. - Термокондуктометріч. і іонізаційні. Типовим прикладом перших є детектор по теплопровідності (катарометр), в бруківку ланцюг якого включені два осередки для вимірювання теплопровідності, через них протікають потоки чистого газу - носія і бінарна суміш. Теплопровідність останньої відрізняється від теплопровідності чистого газу - носія, тому при проходженні бінарної суміші через чутливий елемент детектора - нагріту спіраль з опором 10-80 ом - міняються температура і опір спіралі залежно від концентрації компонента. Такий детектор дозволяє визначати межі концентрації речовин.
Гол. частиною іонізаційних детекторів є іонізаційна камера, де відбувається іонізація молекул, що потрапляють в не з потоком газу-носітеляіз хроматографічної колонки. Іонізацію досліджуваних речовин здійснюють в полум'ї водню, метастабільними атомами аргону або гелію, повільними електронами. Іони під впливом напруги переміщаються в іонізаційній камері, що призводить до утворення електричного струму. Іонізаційні детектори дозволяють визначити концентрацію речовин.
Іонізаційні детектори характеризуються чутливістю, прямою залежністю сигналу від концентрації.
В рідинному х. як детектуючого пристрої використовують проточний рефрактометр, що включається з диференціальної схемою, або детектор поглинання в ультрафіолетовій області.
Досягаються швидкість і точність аналізу в х. багато в чому визначаються правильним вибором робочого режиму детектора і умов експерименту (тип сорбенту, температура, швидкість газу-ностітеля, довжина хроматографічної колонки). Для прискорення аналізу застосовують програмування в часі зміна.
Газохроматографическое процес здійснюють у спеціальних приладах-газові хроматографи. Кожен з них має систему подачі потоку газу-носія, систему підготовки і введення досліджуваної суміші, хроматографічну колонку, з системою регулювання температури, детектор і систему обробки та реєстрації результатів аналізу.
Принцип роботи газового хроматографа полягає в наступному. Потік газу - носія з балона 1 через регулятори витрат і тиску 2 безперервно і в регульованому кількості подається через випарник 3 в хроматографічну колонку 4 і потім-в детектор 7. За допомогою спеціальних пристроїв: шприц-дозаторів 5, пробовідбірної крана подають аналізовану прб4у в систему ввода6, звідки вона у відповідному вигляді переноситься потоком газу-носія безпосередньо в колонку. При проходженні отриманої газової суміші вздовж сорбенту відбувається поділ. З колонки газовий потік, що несе в певній послідовності розділені компоненти, надходить в детектор 7. Електричний сигнал від детектора реєструється в РЗУ 8 у вигляді хроматограми.
Таким чином, основними системами будь-якого газового хроматографа є колонка і детектор. Хроматографічна колонка розділяє, а детектор кількісно визначає компоненти проходить через неї газової суміші.
Детектори поділяються на диференційні та інтегральні. Диференціальні детектори відзначають практично миттєве зміна будь-якої характеристики, інтегральні - підсумовують зміна її за певний час. Диференціальні детектори можуть показувати як зміна концентрації на виході, так і твір концентрації на швидкість. Принципи, покладені в основу дії детектора, можуть бути різноманітними. Найбільше застосування знаходять диференціальні детектори, що реєструють зміна теплопровідності газу або вимірюють струм, що проходить через іонізований газ - полум'яно-іонізаційний (ПІД), електронно - захватний, аргоновий. У катарометра чутливим елементом є вольфрамова нитка, що нагрівається постійним токо. Газ - носій, безперервно протікаючи над нею, відводить тепло з постійною швидкістю. Якщо в газовій суміші над нагрітою ниткою з'являються молекули аналізованої речовини, то швидкість відводу тепла і, як наслідок, температура і електроопір нитки змінюються. Зміна електроопору нитки пропорційно концентрації компонента в газовій суміші. Різниця в показаннях до і після проходження якого-небудь компонента реєструється електричною схемою. Цей детектор практично універсальний. Він дозволяє визначити концентрацію речовини в межах 0,1-0,01%.