теоретической тарелке, и число тарелок являются характеристиками размытости зон. Эти величины сохраняют свое значение и в кинети- ческой теории хроматографии, учитывающей скорость миграции ве- щества, диффузию и другие факторы.
Кинетическая теория хроматографии основное внимание уде- ляет кинетике процесса, связывая высоту, эквивалентную теоретиче- ской тарелке, с процессами диффузии, медленным установлением равновесия и неравномерностью процесса. Высота, эквивалентная теоретической тарелке, связана со скоростью потока уравнением Ван- Деемтера:
где А, B, и С - константы; U - скорость подвижной фазы.
Константа А связана с действием вихревой диффузии, которая зависит от размера частиц и плотности заполнения колонки, величина В связана с коэффициентом диффузии молекул в подвижной фазе, это слагаемое учитывает действие продольной диффузии, а С характери- зует кинетику процесса сорбция-десорбция, массопередачу и другие эффекты. Первое слагаемое дает постоянный вклад в Н. Вклад второ- го слагаемого существен при небольшой скорости потока. С увеличе- нием скорости подвижной фазы влияние третьего слагаемого возрас- тает, а доля второго уменьшается. Суммарная кривая, характеризую- щая зависимость Н от скорости потока, представляет собой гипербо- лу. При небольшой скорости потока высота, эквивалентная теорети- ческой тарелке, уменьшается, а затем начинает возрастать. Поскольку эффективность колонки тем выше, чем меньше высота, эквивалент- ная теоретической тарелке, оптимальная скорость подвижной фазы будет равна скорости, соответствующей точке минимума этой кри- вой. Таким образом, динамическая теория дает основу для оптимиза- ции хроматографического процесса.
Основные узлы приборов. Отечественная промышленность и зарубежные фирмы выпускают большое количество хроматографов самых различных типов. Для проведения хроматографического раз- деления методами бумажной, тонкослойной и некоторыми другими видами хроматографии используются простые установки, которые могут быть собраны в любой химической лаборатории. Независимо от сложности устройства основными узлами хроматографической ус- тановки являются дозатор (система ввода пробы), хроматографиче- ская колонка и детектор. Кроме того, в установке имеются устройства
для подачи газа-носителя или растворителя, для преобразования им- пульса детектора в соответствующий сигнал и некоторые другие.
Дозатор предназначен для точного количественного отбора пробы и введения ее в хроматографическую колонку. Одним из ос- новных требований к дозатору являются воспроизводимость размера пробы и постоянство условий ее введения в колонку. Кроме того, введение пробы не должно вызывать резкого изменения условий ра- боты колонки и других узлов хроматографической установки, а внут- ренняя поверхность дозатора не должна обладать каталитической или адсорбционной активностью по отношению к пробе.
Газообразные и жидкие пробы обычно вводят с помощью спе- циальных шприцев, прокалывая в месте ввода пробы каучуковую мембрану. Нередко в лабораторной практике в качестве дозатора применяется медицинский шприц.
Твердые пробы вводятся в хроматограф или после перевода их в раствор, или непосредственным испарением пробы в нагретом доза- торе, куда она вводится с помощью игольного ушка.
В хроматографической колонке происходит разделение компо- нентов. Колонки весьма различны по форме, размерам и конструкци- онным материалам. Применяются прямые, спиральные и другие ко- лонки длиной от 1…2 м и менее до нескольких десятков метров. Внутренний диаметр колонок составляет обычно несколько милли- метров. В зависимости от свойств анализируемой системы в качестве конструкционных материалов для колонок чаще всего используют сталь, латунь, медь, стекло и др. Материал колонки должен обладать определенной химической инертностью по отношению к компонен- там пробы.
Адсорбент, наполняющий колонку, должен обладать рядом свойств: необходимой селективностью, достаточной механической прочностью, химической инертностью к компонентам смеси и быть доступным. Выбор адсорбента зависит от агрегатного состояния фаз, методики хроматографирования и других факторов.
Детектор предназначен для обнаружения изменений в составе газа, прошедшего через колонку. Показания детектора обычно преоб- разуется в электрический сигнал и передаются фиксирующему или записывающему прибору. Основными характеристиками детектора являются чувствительность, пределы детектирования, инерционность и диапазон линейной зависимости между концентрацией и величиной сигнала. Детекторы подразделяются на дифференциальные, которые
отражают мгновенное изменение концентрации, и интегральные, суммирующие изменение концентрации за некоторый отрезок време- ни.
Общая характеристика метода. Хроматография является эф- фективным методом разделения и анализа сложных по составу газо- образных и жидких смесей. Твердые вещества могут быть проанали- зированы после перевода их в жидкое (растворенное) или газообраз- ное состояние. Качественный и количественный анализ проводится по характеристикам удерживания. Универсальность газовой и газо- жидкостной хроматографии значительно возрастает при сочетании хроматографического разделения и анализа компонентов масс- спектральным или иным подходящим методом. Жидкостная распре- делительная хроматография особенно эффективна при разделении веществ, близких по химическим свойствам, например, аминокислот.
В органическом и биохимическом анализе большое значение имеет бумажная хроматография - простейший вариант хроматогра- фического метода, обладающий высокой чувствительностью. Более воспроизводимые результаты дает тонкослойная хроматография, ши- роко применяемая в анализе лекарств, биохимических проб и различ- ных природных объектов. Ионообменная хроматография ценна как метод разделения сложных смесей ионов и как метод концентрирова- ния микропримесей. Успешно развиваются также новые хроматогра- фические методы, например, высокоэффективная жидкостная.
Контрольные вопросы
3. В чем сущность методов хроматографии?
4. Какие ионообменные смолы применяют в хроматографии?
5. Какие устройства используются в качестве дозаторов?
6. Почему избегают наносить большое количество пробы при хроматографировании?
Практическое задание: найдите число теоретических тарелок в ко- лонке длиной 2 м, если при tR=25 мин пик имеет ширину 40 с. Рас- считайте значение Н.
Лекция № 17.
ВИДЫ ХРОМАТОГРАФИИ
Газовая хроматография. Наиболее важные хроматографиче- ские методы - газо-адсорбционная и газо-жидкостная хроматография. При газовой хроматографии происходит распределение компонентов анализируемой смеси между газообразной и твердой или жидкой фа- зами. В установке для газовой хроматографии используют твердый инертный пористый носитель, в газожидкостной хроматографии он покрыт тонким слоем жидкой фазы. Жидкая или твердая фазы непод- вижны. Подвижной фазой служит газ-носитель, в котором содержит- ся анализируемая проба.
При выполнении газовой хроматографии в нагретый до опреде- ленной температуры поток газа-носителя вводят анализируемую про- бу. Вещества пробы испаряются и вместе с потоком газа поступают в термостатированную колонку с неподвижной фазой (адсорбентом). В колонке протекают многократные процессы адсорбции и десорбции на твердом носителе или растворения и выделения в жидкой пленке смеси газообразных веществ. Разделение сложной смеси здесь зави- сит от коэффициентов адсорбции или распределения анализируемых веществ между фазами. На выходе из колонки смесь разделяется на индивидуальные вещества, поступающие с потоком газа на детектор.
В газовой хроматографии существует два различных механизма удерживания компонентов пробы с твердой фазой (газотвердофазная хроматография, ГТХ) или с неподвижной жидкой фазой (газожидко- стная хроматография, ГЖХ), которая может быть нанесена на твер- дый носитель (промежуточный вариант). Эти механизмы действуют и в жидкостной хроматографии (ЖХ), но, помимо того, разделение мо- жет быть также обусловлено взаимодействием между растворителем и растворенными компонентами пробы.
В качестве газа-носителя в хроматографии выбирают инертные газы, не взаимодействующие с парами веществ: азот, диоксид угле- рода, гелий, аргон, водород. При выборе газа-носителя учитывают тип детектора. Если применен катарометр, то используют газы с вы-
сокой теплоемкостью (гелий и водород), обеспечивающие высокую чувствительность детектора.
Газ-носитель перед подачей в хроматограф высушивают и осво- бождают от примесей. Адсорбенты для газо-твердой хроматографии должны иметь развитую мелкопористую поверхность и определен- ную степень дисперсности. Наиболее подходящий размер зерен ад- сорбента 0,1…0,5 мм. В качестве адсорбентов обычно применяют си- ликагель с пористостью 300…600 м2/г, активированный уголь ? 700…1000, оксид алюминия ? 100…300 м2/г. Адсорбент подвергают специальной подготовке и очистке. Силикагель обрабатывают рас- твором NaOH для удаления кислот и высушивают при 400…50O0C. Оксид алюминия, искусственные и природные силикаты и алюмоси- ликаты (цеолиты) промывают от примесей и высушивают.
В газо-жидкостной хроматографии жидкая фаза находится на твердом носителе. Твердые носители должны иметь малую (микро) пористость (до 20 м2/г), которая мешает четкому разделению (вхож- дение части жидкой фазы в микропоры). Наиболее удобны в качестве твердых носителей различные модифицированные кремнеземы. На- пример, хроматон получают методом кальцинирования кремнезема, формуя затем из него шарики диаметром 0,1...0,2 мм, хезасорб гото- вят из кизельгура, сферохром ? из силикатов. Иногда применяют но- ситель из обожженной дробленой глины (кирпич), промытой и обра- ботанной соответствующим способом.
В качестве неподвижной жидкой фазы применяют многие жид- кости. Они должны быть инертными по отношению к компонентам смеси, носителю, термически стойкими, обладать малой вязкостью и незначительной летучестью, иметь достаточную растворяющую спо- собность по отношению к компонентам определяемой газовой смеси. В качестве жидкой фазы часто используют диглицерол для разделе- ния спиртов, фенолов, ароматических анионов; эвтектическую смесь NaNO3, KNO3 и LiNO3 ? для высокотемпературных опытов; апиезон (фракция нефти) ? для разделения углеводородов; силиконовые по- лимеры (CKTB, HCKT и др.), обладающие высокой термической ус- тойчивостью.
Практическое применение. Широкое применение и большое значение газовой хроматографии в практике вызвано тем, что с ее помощью можно идентифицировать отдельные компоненты сложных газовых смесей и определять их количественно, выполнение анализа не требует больших затрат времени, и метод является достаточно
универсальным. Методом газовой хроматографии анализируют неф- тяные и рудничные газы, воздух, продукцию основной химии, нефть и продукты ее переработки.
Хроматография газов используется в биологии и медицине, в технологии переработки древесины, в лесохимии и пищевой про- мышленности.
Жидкостно-адсорбционная хроматография была первым серьезно изученным хроматографическим аналитическим методом, предназначенным для выделения природных соединений, таких, как растительные «пигменты», из растворов. Позднее интерес к жидкост- ной хроматографии надолго угас из-за стремительного развития газо- вой хроматографии. Однако в последнее время благодаря примене- нию принципиально новых конструкторских разработок началось ее возрождение.
Основное преимущество жидкостной хроматографии перед газо- вой ? возможность осуществлять разделение при более низких темпера- турах, интервал которых ограничивается лишь точками кипения и за- мерзания растворителя. Это означает, что жидкостная хроматография позволяет разделять термически неустойчивые соединения, например, белки, которые нельзя испарить без разрушения.
Жидкостная хроматография была открыта раньше газовой, но лишь в последние годы она вступила в период исключительно интен- сивного развития. По степени разработки теории хроматографическо- го процесса и техники инструментального оформления, по эффектив- ности и скорости разделения жидкостная хроматография вряд ли ус- тупает методу газохроматографического разделения. Однако каждый из этих двух основных видов хроматографии имеет свою преимуще- ственную область применения. Если газовая хроматография пригодна главным образом для анализа, разделения и исследования химиче- ских веществ с молекулярной массой 500…600, то жидкостная хро- матография может быть использована для веществ с молекулярной массой от нескольких сот до нескольких миллионов, включая пре- дельно сложные макромолекулы полимеров, белка и нуклеиновых кислот.
В жидкостной хроматографии по характеру взаимодействий, протекающих в слое сорбента, различают восемь вариантов, которые, в свою очередь, можно объединить в две основные группы: молеку- лярную и хемосорбционную хроматографии. К первой группе отно- сят молекулярно-ситовую (гель-фильтрационную), адсорбционно-
жидкостную и жидкостно-жидкостную (распределительную) хрома- тографии. Для этих вариантов жидкостной хроматографии характер- но проявление относительно слабых взаимодействий в системе сор- бат-сорбент-растворитель. Ко второй группе принадлежат ионооб- менная, комплексообразовательная, осадочная, окислительно- восстановительная и аффинная (биоспецифичная) хроматографии с характерными для них достаточно сильными взаимодействиями меж- ду сорбатом и сорбентом.