Хроматограф для анализа почв

С необходимостью разделения смеси веществ на составляющие ее компоненты приходится сталкиваться как химику-синтетику, химику-аналитику, так и технологу, геологу, физику, биологу и многим другим специалистам. Особое значение разделение смесей веществ имеет в последние десятилетия в связи с проблемой получения сверхчистых веществ. Хроматографические методы анализа помогают облегчить работу во многих областях науки и существенно повысить качество проводимых анализов. В последнее время хроматография широко используется и как метод научного исследования, например, для изучения свойств сложных смесей веществ, в частности растворов.

Принципиальным отличием хроматографических методов от других физико-химических методов анализа является возможность разделения близких по свойствам веществ. После разделения компоненты анализируемой смеси можно идентифицировать (установить природу) и количественно определять (массу, концентрацию) любыми химическими, физическими и физико-химическими методами. Широкое распространение хроматографические методы получили благодаря своим достоинствам: эффективности, простоте эксперимента, селективности, быстроте, возможности автоматизации в сочетании с другими физико-химическими методами. Отличительная особенность хроматографических методов – их универсальность, т.е. возможность использования для разделения и определения твердых, жидких и газообразных неорганических и органических соединений в широком интервале концентраций.

Ценность хроматографических методов состоит в том, что они позволяют эффективно проводить разделение соединений с близкими свойствами. Хроматография дает возможность проводить качественный и количественный анализ исследуемых объектов, изучать физико-химические свойства веществ, осуществлять контроль и автоматическое регулирование технологических процессов. В последнее время хроматография – один из основных методов контроля окружающей среды. Хроматографические методы разделения веществ основаны на сорбционных процессах. Под сорбцией понимают поглощение газов, паров или растворенных веществ сорбентами — твердыми или жидкими поглотителями. Сорбция – общее понятие, которое включает в себя адсорбцию (поглощение на поверхности фазы) и абсорбцию (поглощение в объеме фазы).

Сущность всех хроматографических методов состоит в том, что разделяемые вещества перемещаются через слой неподвижного сорбента (неподвижной фазы) вместе с подвижной фазой (жидкой или газообразной) с разной скоростью благодаря их различной сорбционной способности. В процессе хроматографирования много раз повторяются процессы сорбции и десорбции компонентов в новых слоях сорбента, что обеспечивает высокую эффективность разделения.

Таким образом, хроматография – это динамический сорбционный способ разделения смесей, основанный на распределении вещества между двумя фазами, одна из которых подвижна, а другая – неподвижна, и связанный с многократным повторением сорбционных и десорбционных актов.

Хроматография (от греч. chroma, chromatos — цвет, краска) , физико-химический метод разделения и анализа смесей, основанный на распределении их компонентов между двумя фазами — неподвижной и подвижной (элюент), протекающей через неподвижную. Хроматографический анализ является критерием однородности вещества: если каким-либо хроматографическим способом анализируемое вещество не разделилось, то его считают однородным (без примесей).

История метода:
Хроматографический метод анализа был впервые применён русским учёным-ботаником Михаилом Семеновичем Цветом в 1900 году. Он использовал колонку, заполненную карбонатом кальция для разделения пигментов растительного происхождения. Первое сообщение о разработке метода хроматографии было сделано Цветом 30 декабря 1901 года на XI Съезде естествоиспытателей и врачей в С.-Петербурге. Первая печатная работа по хроматографии была опубликована в 1903 году, в журнале Труды Варшавского общества естествоиспытателей. Впервые термин хроматография появился в двух печатных работах Цвета в 1906 году, опубликованных в немецком журнале Berichte der Deutschen Botanischen Gesellschaft. В 1907 году Цвет демонстрирует Немецкому Ботаническому обществу образец хроматографа — прибора для осуществления процесса хроматографии. В 1910-1930 годы метод был незаслуженно забыт и практически не развивался. В 1952 году Дж. Мартину и Р. Синджу была присуждена Нобелевская премия по химии за создание метода распределительной хроматографии. С середины 20 века и до наших дней хроматография интенсивно развивалась и стала одним из наиболее широко применяемых методов анализа.

Хроматография широко применяется в лабораториях и в промышленности для качественного и количественного анализа многокомпонентных систем, контроля производства, особенно в связи с автоматизацией многих процессов, а также для препаративного (в т. ч. промышленного) выделения индивидуальных веществ (например, благородных металлов), разделения редких и рассеянных элементов.

В некоторых случаях для идентификации веществ используется хроматография в сочетании с другими физико-химическими и физическими методами, например с масс-спектрометрией, ИК-, УФ-спектроскопией и др. Для расшифровки хроматограмм и выбора условий опыта применяют ЭВМ.

Основные достоинства хроматографического анализа:

экспрессность; высокая эффективность; возможность автоматизации и получение объективной информации;
сочетание с другими физико-химическими методами;
широкий интервал концентраций соединений;
возможность изучения физико-химических свойств соединений;
осуществление проведения качественного и количественного анализа;
применение для контроля и автоматического регулирования технологических процессов.

В зависимости от природы взаимодействия, обусловливающего распределение компонентов между элюентом и неподвижной фазой, различают следующие основные виды хроматографии — адсорбционную , распределительную , ионообменную , эксклюзионную ( молекулярно-ситовую ) и осадочную .

Адсорбционная хроматография основана на различии сорбируемости разделяемых веществ адсорбентом (твёрдое тело с развитой поверхностью); распределительная хроматография — на разной растворимости компонентов смеси в неподвижной фазе (высококипящая жидкость, нанесённая на твёрдый макропористый носитель) и элюенте; ионообменная хроматография — на различии констант ионообменного равновесия между неподвижной фазой (ионитом) и компонентами разделяемой смеси; эксклюзионная (молекулярно-ситовая) хроматография — на разной проницаемости молекул компонентов в неподвижную фазу (высокопористый неионогенный гель). Осадочная хроматография основана на различной способности разделяемых компонентов выпадать в осадок на твёрдой неподвижной фазе.

В соответствии с агрегатным состоянием элюента различают:

газовую хроматографию ГХ (GC)
жидкостную хроматографию ВЭЖХ (HPLC).

Газовая хроматография применяется для газов разделения, определения примесей вредных веществ в воздухе, воде, почве, промышленных продуктах; определения состава продуктов основного органического и нефтехимического синтеза, выхлопных газов, лекарственных препаратов, а также в криминалистике и т.д.

Принципиальная схема газового хроматографа

В аналитических хроматографах используют проявительный вариант хроматографии, в этом случае газ-носитель непрерывно продувается через хроматографическую колонку. Расход газа-носителя создается за счет перепада давления на входе и выходе колонки. Схема современного газового хроматографа изображена на рисунке. Для создания перепада давления через колонку хроматограф подсоединяют к источнику со сжатым газом 1. Это может быть баллон или лабораторная линия со сжатым газом. Через колонку поток газа-носителя должен проходить с постоянной и определенной скоростью. Поэтому на входе в колонку на линии газа-носителя устанавливают регулятор и стабилизатор расхода газа-носителя 2 и измеритель расхода газа 3. Если газ-носитель загрязнен нежелательными примесями, то в этом случае устанавливается еще фильтр 4.

Таким образом, на входе в колонку подключается ряд устройств, часто объединяемых в один блок (блок подготовки газа). Назначение этого блока — установка, стабилизация, измерение и очистка потока газа-носителя. Перед входом в колонку устанавливают устройство для ввода анализируемой пробы в колонку — дозатор-испаритель 5. Обычно анализируемую пробу вводят микрошприцем 8 через термостойкое резиновое уплотнение в дозаторе. Газовые пробы вводят дозирующим краном.

Анализируемая проба, введенная в дозатор, захватывается потоком газа-носителя и направляется в хроматографическую колонку 6. Если анализируемая проба — жидкость, то она предварительно переходит в дозаторе-испарителе в парообразное состояние. За счет различной способности к сорбции компоненты смеси будут с разной скоростью продвигаться по колонке. Вещества, которые сорбируются слабо, будут продвигаться по колонке с большей скоростью и выходить первыми. Вещества с большой сорбцией будут продвигаться по колонке медленнее. Если выбран селективный сорбент и подобраны оптимальные условия, то на выходе колонки компоненты смеси будут полностью разделены. Детектор 11 зарегистрирует присутствие разделенных компонентов в газе-носителе. Эти сигналы в случае необходимости усиливаются (усилитель 13) и регистрируются на шкале вторичного самопишущего прибора 14 или на мониторе компьютера в виде выходных кривых с пиками. Для обеспечения стабильного режима работы детектора используют блок питания детектора 12.

Сорбционная способность веществ зависит от температуры. Для исключения влияния колебания температуры на результаты разделения, колонку помещают в специальную камеру-термостат, температура которой устанавливается и поддерживается терморегулятором 9. В случае необходимости температура колонки в процессе разделения может изменяться по определенной программе с помощью блока программирования температуры 10. Высота или площадь пика пропорциональны количеству или концентрации компонента в смеси. Площадь пика может быть измерена с помощью электронного интегратора 15 или любого другого устройства с теми же функциями. Значения площадей пиков могут быть распечатаны с помощью принтера.

Таким образом, перед хроматографическим анализом необходимо провести следующие операции на приборе:

открыть вентиль баллона со сжатым газом и установить по манометру или специальному измерителю определенный расход газа-носителя;

включить питание детектора;

установить необходимую температуру в термостате колонок;

включить самопишущий прибор, интегратор или компьютер;

после выхода прибора на устойчивый режим (через 30–60 мин.) микрошприцем отобрать и ввести в дозатор-испаритель анализируемую пробу.

Все дальнейшие операции проходят без участия оператора: компоненты пробы разделяются на колонке, регистрируются в детекторе, записываются, рассчитываются площади пиков. В случае применения компьютера с принтером можно сразу получить полный протокол — хроматограмму с распечатанной рядом таблицей концентраций разделенных компонентов.

Основные узлы приборов для хроматографического анализа

Независимо от сложности устройства основными узлами хроматографической установки являются:

устройство для ввода проб с дозатором,

хроматографическая колонка, помещенная в термостат,

Устройство для ввода проб в хроматограф представляет собой стальной цилиндр с каналом, закрытым резиновой прокладкой. Анализируемую пробу вводят в прибор с помощью микрошприца, протыкая иглой слой резины (рис.4.5.)

Дозатор – устройство для точного количественного отбора пробы и введения её в хроматографическую колонку. Основные требования к дозатору:

воспроизводимость размера пробы;

постоянство условий введения пробы в колонку;

введение пробы не должно вызывать резкого изменения условий работы колонки и других узлов хроматографа;

поверхность дозатора не должна обладать адсорбционной и каталитической активностью по отношению к анализируемой смеси.

Устройство нагревают с помощью электрической спирали, чтобы проба после введения в хроматограф мгновенно испарялась. Пары, подхваченные газом-носителем, начинают свое движение по колонке. После извлечения иглы резина «самоуплотняется», сохраняя тем самым герметичность прибора. Газовые пробы вводят с помощью другого устройства, представляющего собой двойной кран с трубкой дозатором определенного объема. Краны могут быть 6, 8, 10 и даже 14-ходовые. Сначала при одном положении крана через трубку продувают в атмосферу анализируемую газовую смесь. Затем поворотом крана перекрывают концы трубки-дозатора и дальнейшим поворотом вводят её в поток газа-носителя.

Детектор – прибор, предназначенный для обнаружения изменений в составе газа-носителя, прошедшего через колонку. Показания детектора преобразуются в электрический сигнал и передаются фиксирующему или записывающему устройству, например, компьютеру. Основные характеристики детектора: чувствительность; пределы детектирования; инерционность; диапазон линейной зависимости между концентрацией и величиной сигнала. По форме зарегистрированного сигнала детекторы подразделяют на детекторы дифференциальные и интегральные. Дифференциальные детекторы измеряют мгновенное различие в концентрации вещества в потоке газа-носителя.

Хроматограмма, зарегистрированная таким детектором, представляет собой ряд пиков, площадь которых пропорциональна количеству разделенных соединений. Интегральные детекторы измеряют суммарные количества соединений, выходящих из колонки. Хроматограмма в этом случае ступенчатая, высота ступеней пропорциональна количеству соответствующих соединений. Основные технические характеристики детекторов: чувствительность или предел детектирования; линейность (динамический диапазон); инерционность (постоянная времени, быстродействие); стабильность (уровень шума и дрейфа); величина эффективного объема чувствительной ячейки.

Виды детекторов в газовой хроматографии определяются измеряемой ими величиной:

катарометр (теплопроводность газа-носителя);

термохимические детекторы (температура газа-носителя);

пламенные детекторы (температура пламени при введении органических веществ);

пламенно-ионизационные детекторы ПИД (электропроводность пламени);

Современные газовые хроматографы и области их использования

Газовый хроматограф НР 4890D (рис.4.17.) оснащен детекторами ионизации пламени и электронного захвата. Основные характеристики детекторов приведены в таблице 4.1. С помощью этого хроматографа можно проводить определение летучих примесей (спиртов, эфиров, органических кислот, альдегидов, кетонов, предельных и ароматических углеводородов, галогенсодержащих соединений), а также некоторых нелетучих соединений (лимонной, винной, молочной, пировиноградной кислот) в различных объектах.

Хроматограмма газо-воздушных выбросов в атмосферу, полученных на этом хроматографе, приведена на рис.4.18.

Применение газовой хроматографии

Метод газовой хроматографии — один из самых современных методов многокомпонентного анализа. Его отличительные черты — экспрессность, высокая точность, чувствительность, автоматизация. Целью применения газовой хроматографии может быть качественный и количественный анализы смеси, препаративное выделение веществ, а также определение физико-химических характеристик. Возможность анализа малых количеств вещества и малых его концентраций обусловливает применение метода в биологии, медицине, физической химии, геохимии, космохимии, криминалистике и других отраслях:

Метод эффективен при анализе веществ, относящихся к одному и тому же классу (углеводороды, органические кислоты, спирты и т.д.).

Метод незаменим в нефтехимии (бензины содержат сотни соединений, а керосины и масла — тысячи).

Используют при определении пестицидов, удобрений, лекарственных препаратов, витаминов, наркотиков.

Можно определять металлы, переводя их в летучие соединения – хелаты.

Используют в препаративных целях для очистки химических препаратов, выделения индивидуальных веществ из смесей.

Широко применяют в физико-химических исследованиях: для определения свойств адсорбентов, термодинамических характеристик адсорбции и теплот адсорбции, величин поверхности твердых тел, а также констант равновесия, коэффициентов активности и др.

Жидкостная хроматография используется для анализа, разделения и очистки синтетических полимеров, лекарственных препаратов, детергентов, белков, гормонов и др. биологически важных соединений. Использование высокочувствительных детекторов позволяет работать с очень малыми количествами веществ (10 -11 -10 -9 г ) , что исключительно важно в биологических исследованиях.

В зависимости от агрегатного состояния неподвижной фазы газовая хроматография ГХ (GC) бывает газо-адсорбционной (неподвижная фаза — твёрдый адсорбент) и газожидкостной (неподвижная фаза — жидкость), а жидкостная хроматография — жидкостно-адсорбционной (или твёрдо-жидкостной) и жидкостно-жидкостной.

Различают колоночную и плоскостную хроматографию . В колоночной сорбентом заполняют специальные трубки — колонки, а подвижная фаза движется внутри колонки благодаря перепаду давления. Разновидность колоночной хроматографии — капиллярная, когда тонкий слой сорбента наносится на внутренние стенки капиллярной трубки. Плоскостная хроматография подразделяется на тонкослойную и бумажную. В тонкослойной хроматографии тонкий слой гранулированного сорбента или пористая плёнка наносится на стеклянную или металлическую пластинки; в случае бумажной хроматографии используют специальную хроматографическую бумагу. Тонкослойная (ТСХ) и бумажная хроматография используются для анализа жиров, углеводов, белков и др. природных веществ и неорганических соединений.

Ряд видов хроматографии осуществляется с помощью приборов, называемых хроматографами , в большинстве из которых реализуется проявительный вариант хроматографии. Хроматографы используют для анализа и для препаративного (в т. ч. промышленного) разделения смесей веществ. При анализе разделённые в хроматографической колонке вещества вместе с элюентом попадают в установленное на выходе из колонки специальное устройство – детектор, регистрирующее их концентрации во времени.

Полученную в результате этого выходную кривую называют хроматограммой . Для качественного хроматографического анализа определяют время от момента ввода пробы до выхода каждого компонента из колонки при данной температуре и при использовании определённого элюента. Для количественного анализа определяют высоты или площади хроматографических пиков с учётом коэффициентов чувствительности используемого детектирующего устройства к анализируемым веществам.

В соответствии с природой детектора и механизмом возникновения сигнала различают химические, физические, физико-химические, биологические и др. (см.табл.).

Подвижные, неподвижные фазы и детекторы различных хроматографических методов анализа

Источник