Разделение компонентов в хроматографической колонке (блок пробоподготовки)

Хроматографические методы химического анализа

Принцип метода

Аналитическая колоночная хроматография – это метод, позволяющий идентифицировать и определить компонентный состав пробы сложного вещества из одной навески. Это возможно из-за того, что в приборах – хроматографах совмещены два блока – блок подготовки пробы вещества к измерению физического свойства, в котором происходит разделение компонентов многокомпонентного вещества, и измерительный блок, в котором измеряется физическое свойство отдельно для каждого компонента и его аналитический сигнал регистрируется также отдельно. Одна из особенностей аналитической хроматографии – совместимость блока подготовки пробы вещества к измерению физического свойства едва ли не со всеми известными средствами измерения этих свойств вещества, в которых используются все достижения аналитического приборостроения.

Хроматография, как метод разделения многокомпонентных веществ на отдельные компоненты была открыта русским ботаником М.С. Цветом в 1903 г. Им же были детально разработаны методические основы хроматографии. В течение первых 50 лет хроматографию использовали для разделения и выделения веществ в чистом виде и как исследовательский метод. Как метод химического анализа хроматография стала широко применяться только во второй половине XX столетия. С 1937 по 1972 г. четырнадцать работ по химии, биохимии, физиологии и медицине, в которых хроматографические методы сыграли решающую роль, были удостоены Нобелевских премий. Хроматография способствовала прогрессу во многих направлениях науки, техники и промышленности, поэтому она была отнесена к 20-и выдающимся открытиям двадцатого столетия, которые в наибольшей степени преобразовали жизнь человечества. Используя комбинацию методов хроматографии, можно решать большинство аналитических задач.

Независимо от сложности устройства основными блоками хроматографа являются устройство для подачи подвижной фазы – газа (газовый хроматограф) или растворителя (жидкостной хроматограф); система ввода пробы с дозатором пробы; хроматографическая колонка; детектор; регистрирующее устройство. Типичная схема газового хроматографа выглядит следующим образом, рис. 1.

Рис. 1. Схема газового хроматографа

[рис из «Кристиан Г. Аналитическая химия: учебник, Т.2 – М.: БИНОМ. Лаб-рия знаний, 2009. – 504 с.»]

Разделение компонентов в хроматографической колонке (блок пробоподготовки)

Пробу в объеме 2 – 5 см³ (газовая), 1 – 10 мм³ (жидкая) с помощью шприца-дозатора, петли-дозатора или инжектора вводят в подвижную фазу, которой может быть газ, жидкость или сверхкритический флюид – сжиженный газ. Подвижная фаза движется под давлением через неподвижную фазу – сорбент, который находится в трубке, называемой в хроматографии хроматографической колонкой. Сорбент представляет собой твердое пористое вещество или пленку жидкости, нанесенную на твердую подложку. Твердый сорбент и твердая подложка представляют собой частицы различной формы, чаще шарообразной, и размера, от 3 мм вплоть до 0.07 мкм.

Рис. Микрошприц

В зависимости от агрегатного состояния применяемой подвижной фазы основные виды хроматографии подразделяют на газовую и жидкостную. Вгазовой хроматографии(ГХ)поток инертного газа, а в жидкостной хроматографии поток инертного жидкого растворителя или раствора, с постоянной скоростью пропускается через хроматографическую колонку. Хроматографы, в которых подвижная фаза – газ, называются газовыми, в которых подвижная фаза – жидкость, называются жидкостными хроматографами.

В зависимости от агрегатного состояния применяемой неподвижной фазы газовую хроматографию (ГХ)подразделяют нагазо-твердофазную (неподвижная – твердый сорбент), газожидкостную (неподвижная фаза – тонкий слой жидкости, нанесённый на твердый носитель), а жидкостную хроматографию (ЖХ) подразделяют на жидкостно-твёрдофазную (неподвижная фаза – твердый сорбент) и жидкостно-жидкостную (неподвижная фаза – тонкий слой жидкости, нанесённый на твердый носитель). Если в жидкостном хроматографе подвижная фаза – жидкость подаётся под давлением в несколько десятков атм., то такая хроматография называется высокоэффективной жидкостной хроматографией (ВЭЖХ).

Разделение компонентов в многокомпонентном веществе основано на их распределении между двумя несмешивающимися фазами – неподвижной и подвижной,за счет различий физико-химических свойств, таких как адсорбция, растворимость, ионный обмен и др.

Адсорбция происходит за счет межмолекулярных взаимодействий (дисперсионных, ориентационных, индукционных), имеющих электрическую природу, возможно также образование водородных связей. Ионный обмен заключается в замещении ионов, связанных с молекулами вещества неподвижной фазы, ионами анализируемого вещества, поступающими в колонку с жидкой подвижной фазой, в качестве которой используется вода или водные растворы кислот и щелочей. За счёт ионного обмена разделяются органические или неорганические ионы с зарядом одного и того же знака. Хроматография, в которой используется для разделения компонентов ионный обмен, называется ионной хроматографией (ИХ). Это разновидность жидкостной хроматографии.

Компоненты анализируемого многокомпонентного вещества вместе с подвижной фазой передвигаются сквозь слой сорбента (неподвижной фазы), находящегося в хроматографической колонке. Разделение пробы многокомпонентного вещества на составляющие его компоненты А, Б и В и т.д. происходит вследствие различий в скорости перемещения этих компонентов вместе с подвижной фазой через слой сорбента вдоль хроматографической колонки. Это различие связано с различием в силе физического взаимодействия химических компонентов пробы анализируемого вещества с поверхностью сорбента (сильная или слабая адсорбция), либо с различием в их растворимости в жидкой пленке сорбента (хорошая или плохая растворимость).

На поверхности твердого сорбента (явление адсорбции) или в объёме жидкой плёнки (явление абсорбции) в каждый момент времени совершается элементарный акт сорбции и следом десорбции за счет движения подвижной фазы. Длительность этого момента времени зависит от химической природы компонента и сорбента. Многократное повторение элементарных актов сорбции и десорбции приводят к тому, что при достаточно большом времени движения вдоль хроматографической колонки с сорбентом (при большой длине колонки) компоненты пробы анализируемого вещества разделяются. При передвижении подвижной фазы вдоль колонки с сорбентом через какое-то одно и тоже время одни компоненты будут находиться в верхнем слое сорбента, другие, из-за меньшей степени взаимодействия с сорбентом, окажутся в нижней части колонки, некоторые из них покинут колонку вместе с фиксированной дозой подвижной фазы, не задерживаясь на слое сорбента. Иначе, через колонку движется быстрее тот компонент, взаимодействие которого с сорбентом слабее. Скорость перемещения растёт с возрастанием летучести или с уменьшением температуры кипения компонента. Аналогично через колонку быстрее движется тот компонент, растворимость которого в неподвижной жидкой фазе меньше, а летучесть при данной температуре больше. В результате произойдет разделение компонентов многокомпонентного вещества и они будут «выходить» из хроматографической колонки по очереди. Сильно адсорбирующиеся молекулы либо не удается вывести из колонки, либо их выход длится несколько часов, следовательно несколько часов длится анализ проб веществ, содержащих такие компоненты.

Хроматографические колонки различаются по форме, размерам и конструкционным материалам. В ГХ применяют прямые, U – образные и спиральные колонки длиной от 1 м до нескольких десятков метров, например, кварцевые капиллярные колонки могут иметь длину до 100 м. Внутренний диаметр колонок может быть от 8 до 0.1 мм. Колонки чаще всего изготавливают из нержавеющей стали, латуни, меди, различных сортов стекла, полиэтилена, тефлона.

Рис. Типы U – образных колонок

Все колонки, кроме капиллярных, заполняют сорбентом – твердым адсорбентом, либо жидким абсорбентом, нанесенным на твердый носитель. Сорбент, заполняющий колонку, должен обладать селективностью, достаточной механической прочностью, химической инертностью к компонентам анализируемого вещества и быть доступным. Используют сорбенты их оксида алюминия, силикагеля, активированных углей, пористых полимеров на основе стирола, дивинилбензола, синтетических цеолитов. Применяют также модифицированные адсорбенты, получаемые из исходных обработкой их растворами кислот, щелочей, неорганических солей. В капиллярной колонке, изготовляемой из кварцевого стекла, внутренняя шероховатая поверхность колонки является адсорбентом.

Колонки для ВЭЖХ имеют длину 10 – 25 см, внутренний диаметр 4 – 6 мм и менее, они заполняются сорбентом, например, сферическими частицами силикагеля размером 5 – 10 мкм с привитыми октадецильными группами.

Выбор сорбента зависит от агрегатного состояния пробы анализируемого вещества, сорбционных свойств определяемых компонентов, режимных параметров хроматографирования и других факторов.

Подбирая экспериментально химическую природу сорбента, размер его гранул, размеры и материал колонки, химическую природу подвижного носителя и скорость его движения через колонку можно разделить довольно сложные вещества, например, вещество нефти, вещество атмосферного воздуха и др. на отдельные компоненты, далее их идентифицировать и определить их содержание.