Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
«Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Кафедра «Комплексный инжиниринг и компьютерная графика»
Реферат
на тему: «Газовая хроматография»
Сарварова И.В.
Уфа 2020
1. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА СОЗДАНИЯ МЕТОДА
История возникновения хроматографии как науки относится к 1903 году, когда в трудах Варшавского университета появилась программная статья русского ученого Михаила Семеновича Цвета “О новой категории адсорбционных явлений и их применению к биохимическому анализу”. Как оказалось впоследствии, именно в этой работе впервые были изложены основы хроматографического метода. Одним из основных научных вопросов, которым он занимался, был вопрос выяснения состава хлорофилла. М. С. Цвет понимал, что хлорофилл, окрашивающий листья растений в зеленый цвет, - сложное вещество, многокомпонентная смесь, состоящая из целого ряда пигментов, и поставил перед собой задачу - выделить пигменты в виде индивидуальных веществ.
Вкратце опыты М. С. Цвета заключались в следующем. Из зеленых сухих листьев с помощью петролейного эфира, или толуола, он экстрагировал хлорофилл, и затем часть этого экстракта (окрашенного в интенсивно зеленый цвет) он вводил в верхнюю часть стеклянной трубки, плотно набитой зернами твердого адсорбента. В качестве адсорбентов М. С. Цвет использовал минеральные соли (всего он обследовал адсорбционные свойства 126 солей).
Введенная проба впитывалась зернами адсорбента и образовывала в верхней части трубки окрашенную в зеленый цвет зону (рис. 1 а).
Рис. 1. Схема процесса разделения пигментов, входящих в состав xлорофилла.
Затем М. С. Цвет промывал колонку чистым растворителем, чистым петролейным эфиром. При этом через некоторое время наблюдалось весьма интересное явление: по высоте трубки появлялись отдельно расположенные окрашенные зоны, расстояние между которыми увеличивалось по мере прибавления новых объемов чистого растворителя (рис. 1 б, в, г). Ниже всего находилась зона, окрашенная в интенсивно желтый цвет, несколько выше зона, также окрашенная в желтый цвет, гораздо выше - полоса, окрашенная в зеленый цвет и еще выше - полоса, окрашенная в желто-зеленый цвет.
М. С. Цвет предположил, что эти зоны соответствуют индивидуальным пигментам, разрезал стеклянную трубку так, чтобы отделить зону одну от другой, выталкивал адсорбент, экстрагировал пигменты и исследовал их свойства. Он установил, что ниже всего уходящая зона - каротин, вещество, окрашивающее морковный сок в желтый цвет, выше располагается пигмент ксантофилл, еще выше находятся пигмент хлорофилл-А и пигмент хлорофилл.
Таким образом, М. С. Цвету удалось открыть явление разделения сложной по составу смеси на индивидуальные компоненты.
Однако заслуга М. С. Цвета заключается не только, да и не столько в этом открытии, как в том, что он правильно понял физическую суть происходящих при этом явлений.
На поверхности адсорбента действуют поверхностные силы и при контакте компонентов анализируемой пробы с поверхностью адсорбента молекулы всех соединений, находящихся в пробе, образуют адсорбционные связи, прочность которых обусловлена природой (свойствами) молекул данного сорта.
Поскольку природа разделяемых молекул различна, различной будет и прочность образуемых ими адсорбционных связей в наблюдаемой смешанной окрашенной зоне в верхней части колонки.
При этом уже при вводе пробы имеет место конкуренция компонентов, входящих в ее состав, за адсорбционные центры. Это приводит к тому, что уже в верхнем слое адсорбента сильнее адсорбирующиеся молекулы будут вытеснять ранее слабее адсорбированные молекулы. Таким образом, уже в процессе ввода пробы ее компоненты рассортировываются по высоте колонки в соответствии с величинами их адсорбируемости.
Прибавление подвижного растворителя приводит к разрушению образовавшихся адсорбционных связей, поскольку концентрация подвижного растворителя во много раз больше концентрации компонентов в пробе, и по закону действующих масс адсорбционное равновесие сдвигается в сторону интенсивного протекания процесса десорбции этих компонентов с поверхности адсорбента и перехода их в подвижный растворитель.
При этом, поскольку скорость десорбции связана с величиной прочности адсорбционных связей, те молекулы, которые образуют очень слабые адсорбционные связи, достаточно быстро переходят в подвижный растворитель, а молекулы, образующие достаточно прочные адсорбционные связи характеризуются меньшей скоростью перехода в подвижный растворитель. Десорбированные молекулы переносятся подвижным растворителем вниз по колонке, и вновь адсорбируются из подвижного растворителя на поверхности новых зерен адсорбента, и затем опять десорбируются под действием новых молекул подвижного растворителя.
Таким образом, по мере пропускания подвижного растворителя в объеме колонки очень большое число раз (тысячи, десятки тысяч) повторяется один и тот же процесс - процесс адсорбции молекул разделяемой смеси на поверхности адсорбента и их десорбции в подвижный растворитель, и, вследствие многократного повторения этого процесса, те компоненты, которые образуют менее прочные адсорбционные связи перемещаются по колонке с большей скоростью, чем компоненты, образующие более прочные адсорбционные связи, результатом чего и является разделение смеси на отдельно располагающиеся по высоте колонки зоны, соответствующие индивидуальным компонентам анализируемой смеси.
В своей статье М. С. Цвет пишет: “Адсорбент, который был насыщен одним веществом, все еще способен поглощать и связывать некоторое количество другого вещества. В то же время может происходить и замещение, например, ксантофиллы частично вытесняются из адсорбционных слоев хлорофиллинами, но не наоборот».
Существует некоторая адсорбционная последовательность, в соответствии с которой вещества вытесняют друг друга. На этом и основано следующее важное положение. Если раствор хлорофилла в петролейном эфире фильтровать через колонку адсорбента (я применяю главным образом карбонат кальция, плотно набитый в стеклянной трубке), то пигменты разделяются согласно своей адсорбционной последовательности сверху донизу колонки, образуя различно окрашенные зоны, т.к. более сильно адсорбируемые пигменты вытесняют более слабо адсорбируемые и заставляют их двигаться дальше вниз.
Это разделение становится фактически полным, если после введения раствора пигментов пропустить через адсорбционную колонку ток чистого растворителя. Подобно световым лучам спектра различные компоненты сложного пигмента равномерно распределяются друг за другом в объеме колонки и становятся доступными качественным и количественным испытаниям.
Такой расцвеченный препарат я назвал хроматограммом, а соответствующий метод анализа - хроматографическим анализом”.
Таким образом, М. С. Цвет не только открыл само явление разделения, правильно понял физический смысл происходящих процессов, но даже предложил и терминологию, которая сохранилась до настоящего времени.
Более того, М. С. Цвет прекрасно понимал, что открытый им метод успешно применим не только для разделения смесей окрашенных соединений, но и для разделения смесей бесцветных веществ, т.е. понимал универсальность этого метода.
Он пишет: “Конечно, описанные адсорбционные явления наблюдаются не только в случае окрашенных пигментов хлорофилла. Можно предполагать, что все виды окрашенных и бесцветных веществ подчиняются тем же законам”.
В настоящее время заслуги М. С. Цвета признаны во всем мире.
Та хроматография, которую открыл М. С. Цвет, классифицируется по принятой классификации как адсорбционная хроматография или молекулярная хроматография. Однако, по существу, М. С. Цвет является первооткрывателем всей хроматографии, поскольку то, что начало развиваться потом, произошло на основе именно этих работ М. С. Цвета.
Как развивались события в научном мире после работ М. С. Цвета? Хроматографию сначала использовали очень редко, она появилась слишком рано и в то время еще не могла быть понята и принята по достоинству. Из истории развития науки хорошо известно, что значение выдающихся открытий далеко не всегда осознается сразу. Во многих случаях дальнейшее развитие начинается только после значительного промежутка времени. Протяженность такого скрытого периода является как бы мерой того, насколько человек, сделавший открытие, опередил своих современников.
Скрытый период развития хроматографии окончился в 1931 году, после того, как Э. Ледерер, прочитав сделанный Г. Вильштетером рукописный перевод книги М. С. Цвета на немецкий язык, провел хроматографическое разделение каротинов. С этого времени хроматография и стала широко использоваться в ботанических и биохимических лабораториях:
1. В 1938 году в Харьковском химико-фармацевтическом институте Н. А. Измайлов и М. С. Шрайбер разработали основы метода хроматографии в тонких слоях.
2. В 1940 году А. Мартин и Д. Синг открыли вариант жидкостной распределительной хроматографии на примере разделения ацетильных производных аминокислот на колонке, заполненной силикагелем, насыщенным водой, с использованием хлороформа в качестве подвижного растворителя.
Тогда же было отмечено, что в качестве подвижной фазы может быть использована не только жидкость, но и газ.
Эти же ученые предложили осуществлять разделение производных аминокислот на смоченной водой бумаге с бутанолом в качестве подвижной фазы. Было установлено, что в основе разделения веществ методом распределительной хроматографии лежит закон распределения, а не адсорбционные явления, как в случае Цветовой хроматографии.
Действительно, если имеем две жидкие, не смешивающиеся друг с другом фазы (например, вода-толуол, вода-бензол), и в одну из фаз ввести исследуемое соединение и тщательно перемешать фазы, то через некоторое время устанавливается равновесие распределения исследуемого соединения между фазами, которое описывается законом распределения.
Теперь, если одну из фаз этой системы сделать неподвижной (например, закрепить на твердом носителе), заполнить этой фазой колонку и пропускать через колонку другую, не смешивающуюся с первой фазу, то при вводе в колонку смеси веществ они будут распределяться между фазами в соответствии с величинами коэффициентов распределения исследуемых соединений в данной системе фаз.
Тогда при многократном повторении по высоте колонки процесса перехода исследуемых соединений из одной фазы в другую, те вещества, которые лучше растворяются в подвижной фазе, будут перемещаться по колонке с большей скоростью, чем вещества, лучше растворяющиеся в неподвижной фазе, в результате чего и осуществляется процесс разделения. За открытие распределительного варианта хроматографии А.Мартин и Д.Синг в 1952 году получили Нобелевскую премию.
3. В этот же период времени были синтезированы синтетические ионообменные смолы, с использованием которых выполнены исследования, ставшие основой ионообменной хроматографии.
В отличие от хроматографии М. С. Цвета и распределительной хроматографии ионообменная хроматография основана на химической реакции, реакции ионного обмена. Разделение смеси ионов осуществляется вследствие различной величины химического сродства каждого из ионов к неподвижной фазе - ионообменнику.
4. В 1952?1953 годах А. Мартин и Д. Синг осуществили вариант газовой распределительной хроматографии.
5. Исключительное значение для развития хроматографии имело создание в 1956 году М. Голеем варианта высокоэффективной капиллярной газовой хроматографии.
6. В 1962 году М. Порат и Д. Флодин создали вариант ситовой хроматографии и применили его для разделения высокомолекулярных соединений.
7. С середины 70-х годов начинается период интенсивного развития высокоэффективной жидкостной хроматографии.
8. С середины 80-х годов получили развитие практическое 10 использование флюидной хроматографии и полная компьютеризация всего хроматографического процесса.
Из приведенного материала видно, что каждый вид хроматографии основан на отдельном, особом физическом процессе. Возникает вопрос, на каком основании эти различные явления и методы разделения, основанные на различных принципах, объединяются в одну науку - хроматографию.
Что является типичным для всех хроматографических методов, которые уже открыты или которые еще будут открыты?
Этими общими принципами являются следующие:
* хроматография - это процесс динамический, всегда обязательно имеем одну подвижную фазу относительно другой неподвижной фазы;