Применение газовой хроматографии для исследования углеводородных систем
Впервые идею хроматографического метода высказал русский ученый-ботаник Михаил Семенович Цвет в использовании для разделения веществ их различную степень адсорбироваться на адсорбенте (избирательная адсорбция).
В 1903 г. М. С. Цвет опубликовал в трудах Варшавского общества естествоиспытателей статью, в которой сформулировал принцип нового метода и наглядно показал возможность отделения зеленой части хлорофилловых пигментов листьев (хлорофиллинов) от желтой (ксанто-филлинов) и от оранжевой (каротина) с помощью адсорбентов. В более поздних работах М. С. Цвет значительно усовершенствовал свой метод и дал ему необходимое теоретическое и экспериментальное обоснование. Однако не всем исследователям удавалось воспроизвести опыты М. С. Цвета при его жизни и вскоре этот метод был предан забвению.
О его методе вспомнили через 27 лет после его открытия немецкие биохимики Кун, Ледерер и Винтерштейн, которые в 1930 г. успешно разделили каротин на отдельные изомеры, предсказанные Цветом. С этого времени хроматография стала развиваться в самых разнообразных направлениях и со временем приобрела характер самостоятельной научно-технической дисциплины, претерпев, таким образом, второе рождение.
Хроматографический метод, как показывает его название, предназначался для исследования окрашенных веществ. Однако уже на заре развития метода М. С. Цвет высказал предположение, что его метод применим не только к окрашенным, но и к бесцветным веществам. Но первоначально применению хроматографии для разделения бесцветных веществ мешало отсутствие приборов, с помощью которых можно было бы контролировать в ходе опыта процесс разделения,— детекторов.
В настоящее время разработаны детекторы, позволяющие анализировать самые разнообразные соединения. В простейшем варианте метода Цвета исследуемый раствор окрашенных веществ фильтруют под небольшим разрежением, создаваемым водоструйным насосом, через стеклянную колонку, заполненную бесцветным адсорбентом, затем проявляют хроматограмму чистым растворителем. При правильно поставленном эксперименте вдоль колонки появляется ряд окрашенных поперечных полос, содержащих разделенные компоненты исследуемой смеси.
Проведение хроматографического опыта в таком простейшем варианте видно из рис. 1.
Современная хроматографическая установка включает разделительную колонку, термостат, детектор, блоки управления и другие вспомогательные приспособления.
Рис. 1. Хроматограмма хлорофилловых пигментов по М.С. Цвету
Начиная с 1931 г. число публикаций, посвященных применению хроматографии, с каждым годом увеличивалось, прежде всего в биохимии. Это можно объяснить тем, что биохимикам чаще приходится исследовать термически неустойчивые биологически активные материалы и хроматография здесь оказалась наиболее эффективным методом исследования их состава.
Кроме того, все работы М. С. Цвета были опубликованы в биологической литературе, вследствие чего химикам его метод долгое время оставался неизвестным. Кроме хлорофилловых пигментов этим методом были успешно разделены и выделены в чистом виде другие биологически активные вещества: витамины, ферменты, гормоны, энзимы, аминокислоты, алкалоиды.
Применение хроматографии в органической, неорганической и аналитической химии началось значительно позднее, чем в биологии. Первые публикации, посвященные применению метода Цвета в неорганическом анализе, относятся к 1937 г. и принадлежат Швабу и его сотрудникам. В этих работах приведена методика качественного анализа смесей некоторых катионов и анионов на стеклянной колонке с оксидом алюминия, причем техника проведения анализа почти не отличается от той, которую применял Цвет.
Значительные успехи в разделении и анализе неорганических веществ были достигнуты в 50-х годах, когда в практику хроматографии были введены в качестве адсорбентов ионообменные смолы. Стимулом к этому послужила задача изучения токсичности радиоактивных продуктов расщепления урана и плутония при атомном взрыве и в атомном реакторе. Такими продуктами являются соединения редкоземельных элементов с примесью их радиоактивных изотопов. Применение хроматографии на ионообменных смолах в качестве адсорбентов позволило выделить почти все эти продукты и подробно изучить биологическую активность и другие физико-химические свойства каждого продукта в отдельности, что сыграло большую роль в развитии атомной и ядерной техники.
Кроме ионообменной хроматографии, для разделения и анализа катионов и анионов советские ученые Е. Н. Гапон и Т. Б. Гапон в 1948 г. предложили осадочную хроматографию. В этом варианте метода Цвета формирование хроматограмм обусловлено не различием адсорбируемости или коэффициентов распределения, а процессом образования осадков и различием в их растворимости. Это и вызывает разделение тех ионов, которые вошли в состав осадков при реакции с реактивом-осадителем, нанесенным на сорбент хроматографической колонки или на фильтровальную бумагу.
Хроматографический анализ органических веществ развивался попутно с хроматографией неорганических веществ. В 1935— 1936 гг. появились первые сообщения об успешном применении метода Цвета в анализе синтетических красителей. Из жидкофазных вариантов хроматографии наиболее широкое применение в органической и биологической химии получила бумажная хроматография.
Это тонкий микрометод, позволяющий разделять смеси нескольких десятков компонентов на полоске пористой бумаги, которая выполняет роль хроматографической колонки. Хроматограмма получается в виде пятен, окраска которых соответствует природной окраске разделяемых компонентов смеси. При анализе бесцветных веществ пятна проявляют, опрыскивая бумагу реактивом, образующим с разделяемыми компонентами окрашенные соединения. Например, при определении аминокислотного состава белков после их гидролиза бумагу опрыскивают раствором нингидрина, в результате чего на поверхности бумаги появляются пятна розового цвета, соответствующие индивидуальным аминокислотам. Если разделяемые бесцветные вещества обладают способностью к флуоресценции, бумагу облучают ультрафиолетовыми лучами (кварцевой или ртутной лампой) и тогда хроматограмма становится видимой. Этот случай можно наблюдать при разделении смеси антрахинонов, пятна которых в ультрафиолетовом свете ртутной лампы окрашены в сине-фиолетовый цвет.
Аналогичная картина разделения веществ (в основном органического происхождения) получается на стеклянной пластинке, покрытой слоем мелкодисперсного сорбента (оксида алюминия, силикагеля, целлюлозы, крахмала и др.). Это так называемая тонкослойная хроматография, получившая за последние годы широкое применение в химии и особенно в биохимии благодаря значительно большей скорости выполнения анализа по сравнению с бумажной хроматографией. Кроме того, методом тонкослойной хроматографии можно разделять примерно на порядок большие количества смесей без существенного ухудшения качества разделения. Это преимущество позволяет применять тонкослойную хроматографию как препаративный метод выделения индивидуальных продуктов из сложной смеси в чистом виде. Несмотря на широкие возможности применения, жидкофазная хроматография ни в колоночном, ни в бумажном, ни в тонкослойном варианте не могла удовлетворить требования быстро развивающейся (в отмеченный период) науки и промышленности.
Химическая промышленность синтетических материалов и пластмасс, использующая в качестве сырья в основном смеси природных газов, требовала эффективных методов анализа. Старые химические методы анализа ни в коей мере не могли решить эту задачу, что и послужило толчком к развитию газовой хроматографии, получившей широкое применение в контроле производства и научных исследованиях, особенно в нефтехимии. Однако и жидкофазная хроматография, особенно колоночная молекулярная, не потеряла своего значения. За последние годы наблюдается ее возрождение благодаря значительным успехам в области хроматографического приборостроения. Созданы совершенные жидкофазные хроматографы с высокочувствительными детекторами и автоматической записью хроматограммы, аналогично тому, как это происходит при анализе смесей на газовых хроматографах.
В настоящее время высокоэффективная, высокоскоростная жидкостная хроматография широко применяется для анализа малолетучих высокомолекулярных и нетермостабильных соединений. Это возрожденный открытый М. С. Цветом вариант молекулярной жидкостной хроматографии, модернизированный путем использования новых высокоэффективных сорбентов, высоких давлений на входе в колонку, высоких скоростей элюента и автоматического детектирования.
Лекция 7
Дата добавления: 2017-01-26; просмотров: 1142;