Хроматография как метод обнаружения и разделения в качественном анализе

Газо-жидкостная хроматография — разделение газовой смеси вследствие различной растворимости компонентов пробы в жидкости или различной стабильности образующихся комплексов. Неподвижной фазой служит жидкость, нанесенная на инертный носитель, подвижной — газ.

Принципиальная схема газового хроматографа изображена на рис.5

 

Рис.5

 

Газовая хроматография - универсальный метод разделения смесей разнообразных веществ, испаряющихся без разложения. При этом компоненты разделяемой смеси перемещаются по хроматографической колонке с потоком газа-носителя. По мере движения разделяемая смесь многократно распределяется между газом-носителем (подвижной фазой) и нелетучей неподвижной жидкой фазой, нанесенной на инертный материал (твердый носитель), которым заполнена колонка. Принцип разделения - неодинаковое сродство веществ к летучей подвижной фазе и стационарной фазе в колонке. Компоненты смеси селективно задерживаются

последней, поскольку растворимость их в этой фазе различна, и таким образом разделяются (компонентам с большей растворимостью требуется большее время для выхода из жидкой фазы, чем компонентам с меньшей растворимостью). Затем вещества выходят из колонки и регистрируются детектором. Сигнал детектора записывается в виде хроматограммы автоматическим потенциометром (самописцем) или же регистрируется компьютером.

Достоинствами газовой хроматографии являются:

– сравнительная простота аппаратурного оформления;

– весьма широкие границы применимости (можно определять соединения, для которых достигается давление насыщенного пара 0,001-1 мм рт.ст.);

– возможность определения с высокой точностью малых количеств газов органических соединений с высокой точностью;

– быстрота анализа;

– широкий выбор сорбентов и неподвижных фаз;

– высокая гибкость изменения условий разделения;

– возможность осуществления химических реакций в хроматографической колонке или детекторе, что расширяет круг анализируемых соединений (реакционная газовая хроматография).

Следует отметить и существующие ограничения метода газовой хроматографии:

• невозможность разделения и анализа смесей нелетучих соединений;

• осложнения при разделении и анализе термически нестабильных соединений;

• невозможность разделения и анализа соединений, способных к диссоциации в анализируемых растворах (разделение ионов).

Газоадсорбционную хроматографию используют реже, чем газожидкостную, главным образом из - за нелинейности изотрем адсорбции даже при низких степенях заполнения. Среди достоинств адсорбентов - способность выдерживать высокие температуры и не создавать фона при детектировании примесей на ионизационных детекторах. На рис.6 приведена таблица основных адсорбентов для газовой хроматографии.

 

Рис.6 Основные адсорбенты для газовой хроматографии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2.Жидкостная хроматография

Жидкостная хроматография — это хроматография, в которой подвижной фазой является жидкость.

Жидкостная хроматография разделяется на жидкостно-адсорбционную (разделение соединений происходит за счёт их различной способности адсорбироваться и десорбироваться с поверхности адсорбента), жидкостно-жидкостную, или распределительную (разделение осуществляется за счёт различной растворимости в подвижной фазе — элюенте и неподвижной фазе, физически сорбированной или химически привитой к поверхности твёрдого адсорбента), ионообменную хроматографию, где разделение достигается за счёт обратимого взаимодействия анализируемых ионизирующихся веществ с ионными группами сорбента — ионита. 

Жидкостный хроматограф состоит из трех основных функциональных частей.

Источник потока подвижной фазы состоит из резервуара, насоса и фильтра. В зависимости от конструкции элементов этого блока в него могут входить устройство для формирования градиентов подвижной фазы; дегазатор и устройство для сглаживания пульсаций давления, если этого требуют конструкции детектора и насоса. В разделительный блок хроматографа входят устройство для ввода проб, хроматографические колонки, а иногда предварительная колонка для насыщения и термостат. Блок детектирования представляет собой детектор или систему нескольких детекторов. Иногда в этот блок входят сборник фракций и измеритель потока. Схема жидкостного хроматографа показана на рис.7.

В настоящее время широко используется как классическая, так и высокоэффективная жидкостная хроматография, которые характеризуются следующими параметрами (рис. 8).

С практической точки зрения можно выделить следующие основные черты современной ЖХ, отличающие ее от классической ЖХ:

1) применение новых сорбентов в высокой степени однородных по размеру и форме зерен;

2) применение мелкозернистых материалов диаметром 10-80 мкм;

3) применение новых усовершенствованных методик заполнения колонок;

4) использование высоких давлений на входе в колонку (до 120 атм);

5) уменьшение до минимума мертвых объемов в разделительной системе хроматографа;

6) применение высокочувствительных детекторов с измерительными ячейками очень малого объема.

Рис.7 Жидкостный хроматограф

Характеристика	Классическая ЖХ	Высокоэффективная ЖХ
Давление, атм.	От долей атм. до 2 атм.	>2 атм.
Скорость потока (мм*мин)	5-50	600
Продолжительность разделения	От нескольких часов до нескольких суток	От нескольких минут до нескольких часов
Оборудование	Колонка и вспомогательное	Хроматограф
Тип разделения	Препаративное	Аналитическое
Детектирование	Детектирование отдельных фракций аналитическим методом	С помощью детектора
Количество исследуемого вещества	От нескольких мкг до нескольких кг	От нескольких нанограммов до нескольких мкг

Рис.8 Характеристика ЖХ и ВЭЖХ

2.3.Ионообменная хроматография

Ионообменная хроматография, являющаяся разновидностью жидкостной хроматографии, основана на эквивалентном обмене ионов раствора на ионы твердой фазы. В отличие от абсорбции ионный обмен описывается стехиометрическим химическим уравнением, что важно и для ионной хроматографии. Однако в ионообменниках часто наблюдается и физическая адсорбция.

Для практических целей ионообменную хроматографию наиболее широко используют для анализа аминокислот. Особенно широкую популярность ионообменная хроматография аминокислот получила с появлением аминокислотных анализаторов, позволяющих автоматизировать почти все стадии анализа за исключением подготовки пробы.

Автоматический аминокислотный анализатор позволяет проводить анализ смеси аминокислот белковых гидролизатов. Структурная схема аминокислотного анализатора представлена на рис. 10.

Рис. 10 Структурная схема аминокислотного анализатора

Подача буферных растворов (1-6) на ионообменную колонку (10) осуществляется с помощью соленоидных клапанов и насоса через автоматическое устройство ввода образца (7-9). Колонку заполняют специальной ионообменной смолой, которая должна обладать высокой разрешающей способностью и устойчивостью к давлению.

Нингидрин (или флуорескамин, или офталевый диальдегид) подается специальным насосом (14) из резервуара (13) и смешивается с элюатом (11), вытекающим из колонки, в специальном блоке (15). Затем полученная смесь подается в реакционный сосуд (16) для получения производных с последующим детектированием с помощью фотометра или флуориметра (17) по поглощению или флуорисценции и регистрацией на самописце (18). Контроль над процессами осуществляется с помощью программирующего устройства (12). В блоке обработки информации (19) происходит анализ полученных результатов, а также сравнение интенсивности сигналов отдельных аминокислот со стандартной смесью и определение абсолютного количества каждой аминокислоты в исследуемом гидролизате. Идентификацию каждой аминокислоты проводят по соответствующему времени удерживания. После анализа автоматически осуществляется регенерация сорбента в колонке.

В настоящее время разработано несколько способов получения окрашенных, или флуоресцирующих производных аминокислот.

Ионообменные смолы — набухающие органические полиэлектролиты, способные поглощать ионы по обменному механизму. Катионитами называют ионообменники с отрицательно заряженными активными группами, на которых адсорбируются катионы, и анионитами — ионообменники с положительно заряженными группами, на которых адсорбируются анионы. На рис.11 представлена классификация смол по ионогенным группам.

Рис.11 Классификация смол по иноногенным группам

2.4.Тонкослойная хроматография

Тонкослойная хроматография — хроматографический метод, основанный на использовании тонкого слоя адсорбента в качестве неподвижной фазы. Он основан на том, что разделяемые вещества по-разному распределяются между сорбирующим слоем и протекающим через него элюентом, вследствие чего расстояние, на которое эти вещества смещаются по слою за одно и то же время, различается. Тонкослойная хроматография предоставляет большие возможности для анализа и разделения веществ, поскольку и сорбент, и элюент могут варьироваться в широких пределах. При этом коммерчески доступен ряд пластинок с различными сорбентами, что делает возможным быстрое использование метода. Разновидностью тонкослойной хроматографии является более надёжная и воспроизводимая высокопроизводительная тонкослойная хроматография, при проведении которой используются специальные пластинки и сложное оборудование.  Тонкослойная хроматография была открыта в 1889 году, существенно развита в середине XX века и до настоящего времени широко используется в фармацевтической, медицинской, пищевой сферах, а также в академической и промышленной науке.

В методе тонкослойной хроматографии используется специальные пластины, как правило, алюминиевые или полимерные, на которые нанесен слой сорбента. 

Рис.12 Схема тонкослойной хроматографии

 

                 Техника эксперимента в тонкослойной хроматографии

• Нанесение пробы. Анализируемую жидкую пробу наносят на линию старта с помощью капилляра, микрошприца, микропипетки, осторожно касаясь слоя сорбента (диаметр пятна на линии старта - обычно от одного до нескольких миллиметров). Если на линию старта наносят несколько проб, то расстояние между пятнами образцов на линии старта не должно быть меньше 2 см. По возможности используют концентрированные растворы. Пятна сушат на воздухе, после чего проводят хроматографирование.

• Развитие хроматограммы (хроматографирование). Процесс проводят в закрытых хроматографических камерах, насыщенных парами растворителя, используемого в качестве ПФ (подвижной фазы), например, в стеклянном сосуде, покрытом сверху крышкой. В зависимости от направления движения ПФ различают восходящую, нисходящую и горизонтальную хроматографию.

- В варианте восходящей хроматографии ПФ наливают на дно камеры (в качестве последней можно использовать стеклянный химический стакан подходящего размера со стеклянной крышкой), хроматографическую пластинку помещают вертикально или наклонно в камеру так, чтобы слой ПФ на дне камеры смачивал нижнюю часть пластинки (ниже линии старта на ~1,5- 2 см). ПФ перемещается за счет действия капиллярных сил снизу-вверх (против силы тяжести) сравнительно медленно.

- В варианте нисходящей хроматографии ПФ подается сверху и перемещается вниз вдоль слоя сорбента пластинки. Сила тяжести ускоряет движение ПФ. Такой вариант реализуют при анализе смесей, содержащих компоненты, медленно перемещающиеся с ПФ.

- В варианте горизонтальной  хроматографии пластинку помещают  горизонтально. Можно использовать  прямоугольные или круглые пластинки. При применении круглых пластинок (круговой вариант горизонтальной  хроматографии) стартовую линию  обозначают в виде окружности  подходящего радиуса (~1,5-2 см), на  которую наносят пробы. В центре  круглой пластинки вырезают отверстие, в которое вставляют фитиль  для подачи ПФ. Последняя перемещается  вдоль слоя сорбента от центра  круга к его периферии. Хроматографирование  проводят в закрытой камере - эксикаторе  или в чашке Петри. При круговом  варианте можно одновременно  анализировать до нескольких  десятков проб.

• Расшифровка хроматограмм. Если пятна на хроматограмме окрашены, после высушивания пластинок определяют расстояние от линии старта до центра каждого пятна и вычисляют коэффициенты подвижности. Если же в состав анализируемой пробы входят бесцветные вещества, дающие неокрашенные, т.е. визуально не идентифицируемые пятна на хроматограмме, необходимо провести детектирование этих пятен, для чего хроматограммы проявляют.

Рассмотрим некоторые наиболее распространенные методы детектирования.

• Облучение ультрафиолетовым светом. Используется для обнаружения флуоресцирующих соединений (пятна светятся при облучении пластинки УФ-светом) или нефлуоресцирующих веществ, но с применением сорбента с флуоресцирующим индикатором (сорбент светится, пятна не светятся). Таким образом детектируют, например, алкалоиды, антибиотики, витамины и другие лекарственные вещества.

• Термическая обработка. Высушенную после хроматографирования пластинку осторожно нагревают (до ~200 °C), избегая потемнения слоя самого сорбента (например, тогда, когда тонкий слой сорбента содержит крахмал). При этом пятна проявляются обычно в виде коричневых зон (за счет частичного термолиза органических компонентов).

• Химическая обработка. Хроматограммы проявляют, обрабатывая их реагентами, которые образуют окрашенные соединения с разделяемыми компонентами смесей. Для этих целей применяют различные реагенты: пары йода, аммиака, брома, диоксида серы, сероводород, специально приготовленные растворы, которыми обрабатывают пластинки. Применяют как универсальные, так и селективные реагенты (понятие «универсальные» достаточно условно).

  Универсальными реагентами могут служить, например, концентрированная серная кислота (при нагревании наблюдается потемнение пятен органических соединений), кислый водный раствор перманганата калия (зоны наблюдаются в виде коричневых пятен на фиолетовом фоне сорбента), раствор фосфорно-молибденовой кислоты при нагревании (появляются синие пятна на желтом фоне) и т.д.