Учебное пособие по химии для самостоятельной работы студентов медицинских вузов Рекомендуется для студентов, обучающихся по специальностям
Хроматографические методы анализа
жүктеу/скачать 1,06 Mb.
|
Физико-химические методы (1)
| 2.2. Хроматографические методы анализа
Хроматография общее название методов разделения и концентрирования веществ, основанных на их различном распределении между двумя фазами подвижной и неподвижной (стационарной). Разделение и концентрирование веществ облегчает их дальнейшее качественное и количественное определение с помощью других методов, описанных выше. Хроматографический метод позволяет решать такие важные задачи, как разделение сложных смесей органических и неорганических веществ на отдельные компоненты; разделение и выделение растительных пигментов, изотопов, редкоземельных элементов и других веществ; разделение веществ с близкими физико-химическими свойствами; селективное извлечение веществ из сложных смесей; очистка веществ от посторонних примесей; концентрирование веществ из сильно разбавленных растворов. Хроматографию как метод разделения веществ открыл русский ботаник М. С. Цвет (1903), показавший, что по мере движения хлорофилла в потоке растворителя по трубке, заполненной порошком мела, первоначальное зелёное кольцо расщепляется на несколько разноцветных колец, каждое из которых соответствует составной части хлорофилла, поскольку они в разной степени адсорбируются поверхностью мела. Цвет назвал метод хроматографией, т.е. цветописью, хотя сам указал, что этим способом можно разделять и бесцветные вещества. Начиная с 40-годов нашего века, были разработаны многочисленные модификации хроматографического метода, благодаря чему он получил в настоящее время исключительно широкое распространение. При хроматографировании компоненты разделяемой смеси (сорбаты) под влиянием подвижной фазы (элюента) перемещаются через пористую неподвижную фазу (сорбент). В качестве элюента используется жидкость или газ, в качестве сорбента твёрдое вещество или жидкость. При взаимодействии смеси веществ со стационарной фазой происходят процессы сорбции-десорбции, т.е. процессы обогащения или обеднения границы раздела фаз тем или иным компонентом. Стационарную фазу подбирают таким образом, чтобы она проявляла различную сорбционную способность в отношении отдельных компонентов смеси. Поэтому различные компоненты смеси будут с различной скоростью передвигаться через стационарную фазу: те, в отношении которых сорбционная способность проявляется сильнее, будут задерживаться по отношению к тем компонентам, которые слабее взаимодействуют с сорбентом и быстрее покидают его. Таким образом, в результате различной склонности к сорбции компоненты смеси будут пространственно разделены. Картина распределения компонентов анализируемой смеси называется хроматограммой. Простейший и самый распространённый способ элюентная хроматография использует колонку (трубку), заполненную гранулами сорбента, в верхнюю часть которой вводят раствор анализируемых веществ в подвижной фазе (растворителе). Компоненты смеси распределяются по длине колонки в зависимости от их сорбции неподвижной фазой. Добавление новой порции подвижной фазы заставляет растворитель передвигаться вниз по колонке; он увлекает за собой и анализируемое вещество, наименее прочно связанное с сорбентом. Процессы сорбции и десорбции компонентов смеси многократно повторяются при движении подвижной фазы сверху вниз по колонке. Менее прочно связанные с сорбентом компоненты смеси движутся по колонке с большей скоростью, а более прочно связанные с меньшей скоростью, что приводит к полному разделению компонентов на зоны, расположенные вдоль всей длины колонки. Пропуская через колонку достаточное количество подвижного растворителя, можно собрать отдельные порции растворителя, содержащие разделенные компоненты. Если в конце колонки поместить детектор, чувствительный к изменению концентрации выходящих компонентов, то хроматограмма, т.е. график зависимости величины сигнала детектора (концентрации компонента) от времени вымывания вещества (элюирования) будет представлять собой серию хроматографических пиков. Например, при разделении трёх компонентов анализируемой смеси (рис. 17) распределение веществ 1,2,3 по колонке будут последовательно изменяться (IIV), что выразится в соответствующих пиках хроматограммы. При полном разделении веществ можно получить отдельный пик для каждого компонента анализируемой смеси. Полное хроматографическое разделение может быть достигнуто только при правильном подборе фаз, размера и типа колонок, скорости подачи элюента и других факторов, определяющих способность сорбента к избирательной сорбции компонентов. В соответствии с теорией Ленгмюра атомы, находящиеся на поверхности адсорбента, обладают особыми свойствами по сравнению с атомами, находящимися внутри кристаллической решетки. Поскольку число соседних атомов у атомов, находящихся на поверхности, меньше, часть их валентных электронов не участвует в построении кристаллической решетки. Поэтому на поверхности адсорбента находится силовое поле, способное притягивать молекулы посторонних веществ. При этом образуется мономолекулярный слой адсорбированных молекул. Между поверхностью адсорбента и средой устанавливается подвижное равновесие, которое характеризуется равенством скоростей адсорбции и десорбции молекул. Рис. 17. Передвижение трёх компонентов смеси по хроматографической колонке и формы хроматографических пиков, соответствующие данной стадии разделения. Форма хроматографического пика связана с изотермой сорбции, т. е. кривой, показывающей связь между равновесными концентрациями химического соединения в двух равновесных фазах при постоянной температуре. В зависимости от природы сорбции изотерма может иметь различную форму. Простейшей формой изотермы является линейная, характерная для равновесий газ-жидкость (закон Генри), экстракционного распределения без химического взаимодействия и других случаев. На рис. 18 изображены линейные изотермы сорбции трёх компонентов 1,2,3. Они характеризуются разным наклоном прямой. Компонент 3 сильнее удерживается неподвижной фазой, чем компоненты 2 и 1; компонент 2 сильнее, чем компонент 1. Поэтому первым покинет хроматографическую колонку компонент 1, затем 2 и наконец 3, т. е. хроматограмма будет содержать три последовательные пика для выхода компонентов 1,2 и 3. Рис.18. Линейная изотерма сорбции компонентови соответствующая ей форма хроматограммы. Если изотерма сорбции нелинейна, то форма пика отклоняется от идеальной (рис. 19). При выпуклой изотерме образуется пик с размытым хвостом (рис. 19б), при вогнутой – с размытым передним фронтом (рис. 19в). Наличие этих отклонений на реальной хроматограмме говорит о неудачности выбранных условий. Хроматограмма, т.е. совокупность пиков компонентов, зафиксированная самописцем на бумаге, характеризует качественный и количественный состав пробы. Рис.19. Изотермы сорбции и соответствующие им хроматографические пики: а) линейная, б) выпуклая, в) вогнутая. Идентификация вещества (качественный анализ) осуществляется по положению хроматографического пика, т.е. по объёму подвижной фазы, который необходимо затратить для вымывания компонента из колонки (т.н. объём удерживанияVR) или по времени выхода компонента из колонки (т.н. время удерживанияR). Объём и время удерживания связаны между собой простым соотношением: VR = UR, где U скорость движения подвижной фазы. Показатели времени выхода компонентов пробы неизвестного состава сравнивают с показателями выхода компонентов пробы известного состава (в тех же условиях), определяя качественный состав пробы. Для количественного определения вещества используют площадь соответствующего этому веществу пика на хроматограмме. В современных приборах измерение площади пика производится электронным интегратором. Площадь пика пропорциональна содержанию вещества в пробе. После выбора условий анализа для серии проб осуществляют калибровку прибора по каждому из анализируемых компонентов. Самыми распространёнными способами калибровки являются способы абсолютной калибровки и внутренней стандартизации. При способе абсолютной калибровки сначала последовательно вводят в колонку одинаковый объём эталонных растворов с известной концентрацией анализируемого вещества и получают хроматограммы эталонных растворов. Определяют площади соответствующих пиков и строят график зависимости площади пика от концентрации вещества в пробе (градуировочный график). Затем хроматографируют такой же объём раствора с неизвестным содержанием определяемого вещества и по площади его пика с помощью градуировочного графика находят его содержание. При способе внутренней стандартизации хроматографируют растворы с известным соотношением концентраций определяемого вещества и стандарта, содержание которого постоянно. Определяют отношение площади пиков анализируемого компонента и стандарта. Строят график зависимости отношения площадей пиков от содержания определяемого вещества (в %). При хроматографировании анализируемого компонента в пробу вводят такое же количество стандарта, как и в калибровочных смесях, измеряют отношение площади пиков анализируемого компонента к стандарту и по графику находят соответствующее этому отношению содержание анализируемого компонента. где Ki и Kст поправочные коэффициенты определяемого компонента и внутреннего стандарта; Si и Sст площади хроматографических пиков определяемого компонента и внутреннего стандарта; mст массы внутреннего стандарта, г. mпр масса анализируемой пробы, г. Полнота хроматографического разделения определяется селективностью и эффективностью колонки. Селективность колонки зависит от выбора сорбента, подвижной фазы и условий разделения. Отношение концентраций отдельного компонента в неподвижной и подвижной фазах при установившемся равновесии и постоянной температуре называется коэффициентом распределения DV: жүктеу/скачать 1,06 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|