Ах 6 лекция

1.

АНАЛИТИЧЕСКАЯ
ХИМИЯ
И
ФИЗИКОХИМИЧЕСКИЕ
МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Глава 6. Хроматография

2.

6.1 Основные положения
Хроматография — это область науки, изучающая процессы,
основанные на перемещении зоны вещества вдоль слоя сорбента в
потоке подвижной фазы и связанные с многократным повторением
сорбционных и десорбционных актов.

3.

6.2 Виды
Хроматограф
ия
Методы
разделения
смесей на
компоненты и
их
идентификации
Тонкослойная
Бумажная
Осадочная
Ситовая
Газовая
Жидкостная
Газожидкостная
высокоэффективная
жидкостная
Ионообменная

4.

6.3 Суть метода
Подвижная фаза (ПФ) (газ, жидкость) в процессе хроматографии
непрерывно перемещается вдоль неподвижной (стационарной) фазы
(НФ) (твёрдое тело, жидкость), так что частицы хроматографируемых
веществ, переносимые вместе с ПФ, могут многократно переходить из
подвижной фазы в неподвижную и обратно.
Разделение веществ с помощью хроматографии основано
на различном сродстве разделяемых веществ к подвижной и
неподвижной фазам.
Различие в сродстве приводит к различию в скоростях движения
частиц разделяемых веществ вместе с подвижной фазой и, в конечном
счёте, к их разделению.

5.

6.4 Механизм разделения
Пусть вместе с подвижной фазой
(ПФ) перемещается смесь
разделяемых компонентов А и Б,
причём компонент Б имеет
большее сродство к неподвижной
фазе (НФ), чем компонент А. Тогда:
хроматография — это динамическое равновесие, где каждый
компонент перемещается вдоль слоя сорбента со своей собственной
скоростью, зависящей от коэффициента распределения.

6.

6.5 Обязательные условия ХА
Наличие
подвижной фазы
(ПФ) и
неподвижной
фазы (НФ) —
двухфазная
система,
необходимая для
перераспределени
я веществ.
Многократное
повторение актов
сорбции и
десорбции
разделяемых
компонентов,
перемещающихся
вместе с ПФ вдоль
НФ. Именно
многократность
обеспечивает
высокую
эффективность
разделения.
Равновесие
сорбция ⇄
десорбция
должно
устанавливаться
достаточно
быстро
(быстрая кинетика
сорбциидесорбции). Это
условие
гарантирует, что
разделение
происходит в
режиме, близком к
равновесному, а

7.

6.6 «Ручные» методы Х
Тонкослойная
хроматография
(ТСХ)
• разделение на пластинке с тонким слоем сорбента
(силикагель, оксид алюминия и др.)
Бумажная
хроматография
• в качестве неподвижной фазы выступает специальная
хроматографическая бумага, удерживающая воду (или
другой неподвижный растворитель).
Осадочная
хроматография
• основана на образовании нерастворимых соединений
(осадков) в слое сорбента, что позволяет разделять ионы
по степени растворимости.
Ситовая (гельпроникающая)
хроматография
• разделение по размеру молекул с использованием
молекулярных сит (сефадексы и др.); также может
выполняться в упрощённых колонках без дорогостоящих
хроматографов.

8.

6.7 Классификация по механизму
разделения веществ
Ионообменная
хроматография
Хемосорбционная
хроматография
Эксклюзионная
(ситовая, проникающая)
хроматография
Распределительная
хроматография
Адсорбционная
хроматография
по
механизм
у
разделен
ия
Электрохроматография
(электрофорез)

9.

6.7 Адсорбционная хроматография
Основана на использовании неодинаковой способности разделяемых
компонентов вступать в специфическое взаимодействие с
поверхностью адсорбента (НФ) за счёт адсорбции.
Сорбция – процесс поглощения газов, паров и
растворенного вещества твердыми
или жидкими сорбентами
Адсорбция – концентрирование вещества на
поверхности раздела фаз
Адсорбент — твёрдый сорбент, который
концентрирует на своей поверхности газы, пары
или растворённые вещества. Это неподвижная
фаза в хроматографической системе, которая
заполняет хроматографическую колонку.
Элюент — жидкость или газ, используемые в
качестве подвижной фазы в
хроматографической системе.

10.

6.7 Распределительная хроматография
Основана на различиях в коэффициентах распределения разделяемых
компонентов между ПФ и НФ, представляющей собой жидкость.
Коэффициент распределения — отношение
равновесной концентрации
хроматографируемого вещества в более
полярной фазе (с большей диэлектрической
проницаемостью) к равновесной
концентрации того же вещества в менее
полярной жидкой фазе (с меньшей
диэлектрической проницаемостью).

11.

6.7 Ионообменная хроматография
Основана на различной способности ионов разделяемых компонентов,
находящихся в ПФ (обычно жидкий раствор), к обмену с ионами
неподвижной фазы.
!!! Иногда ионообменную
хроматографию рассматривают
как частный случай
хемихроматографии, учитывая,
что она основана на обратимой
хемосорбции ионов на НФ.

12.

6.7 Хемосорбционная хроматография
Основана на различной способности компонентов разделяемой смеси
вступать в химические реакции с реагентами, входящими в состав НФ.
осадочная
окислительновосстановительная
лигандная
(комплексообразователь
ная)
Аффиная
(биоспецифическая)
Образование
малорастворимых осадков
Скорость реакций
окисления/восстановления
Образование комплексных
соединений с ионами
металлов
Специфическое
биологическое узнавание
«лиганд–мишень»
Произведение
растворимости (ПР)
Редокс-потенциал
Константа устойчивости
комплекса
Сродство (аффинность)

13.

6.7 Эксклюзионная (ситовая,
проникающая) хроматография
Основана на различиях между размерами (эффективными диаметрами)
частиц разделяемых компонентов и размерами пор НФ (сорбент —
пористое вещество).
Сорбенты играют роль
молекулярных сит,
проницаемых только для
частиц определённых
размеров. Мелкие частицы
проникают в поры и
удерживаются, крупные —
уносятся с ПФ.

14.

6.7 Электрохроматография
Основана на неодинаковой способности разных ионов в растворе
перемещаться под действием внешнего электрического поля
Разделение основано на двух
независимых механизмах
одновременно:
Электрофоретическое разделение —
различная скорость движения
заряженных частиц в электрическом
поле;
Хроматографическое
распределение — различное сродство
компонентов к неподвижной
(стационарной) фазе

15.

6.8 Классификация по агрегатному
состоянию фаз
распределительная хроматография возможна только при жидкой НФ,
адсорбционная хроматография — при твёрдой НФ.

16.

6.9 Классификация по по технике
эксперимента
по технике
эксперимен
та
плоскостн
ая
колоночн
ая
капилярн
ая

17.

6.9 Колончатая хроматография
метод разделения, при котором неподвижная фаза (сорбент) помещена
в вертикальную трубку (колонку), а подвижная фаза (элюент)
протекает через колонку под действием гравитации или под
давлением, непрерывно контактируя с сорбентом.
Фронтальная — колонка непрерывно
промывается анализируемым раствором;
выделяется только часть одного
компонента.
Элюентная (проявительная) — сначала
на колонку наносят пробу, затем
промывают чистым элюентом; компоненты
выходят разделёнными зонами (наиболее
распространённый вариант).
Вытеснительная — для промывки
используют раствор веществавытеснителя с более высоким сродством к
сорбенту, чем у разделяемых компонентов.

18.

6.9 Колончатая хроматография
метод разделения, при котором неподвижная фаза (сорбент) помещена
в вертикальную трубку (колонку), а подвижная фаза (элюент)
протекает через колонку под действием гравитации или под
давлением, непрерывно контактируя с сорбентом.
В лабораторных условиях
хроматографическая колонка обычно
представляет собой стеклянную трубку с
краном на выходе, заполненную
сорбентом. Через колонку пропускают
жидкую ПФ с необходимой скоростью
(часто ≈20 капель/мин).

19.

6.9 Капиллярная хроматография
вариант колоночной хроматографии, в котором разделение
осуществляется в длинных капиллярных трубках (обычно из
плавленого кварца) с внутренним диаметром от 50 до 500 мкм.
Преимущества:
Огромная эффективность разделения
(тонкие и длинные колонки).
Высокая чувствительность (малые
объёмы пробы).
Быстрота анализа (особенно в варианте
газовой хроматографии).
Возможность подключения к массспектрометру для идентификации.

20.

6.9 Плоскостная (планерная)
хроматография
Вдоль плоской поверхности сорбента жидкая фаза (раствор с
разделяемыми компонентами) перемещается за счёт капиллярных сил
бумажная хроматография - НФ
представлена либо
хроматографической бумагой,
волокна которой покрыты
тонким слоем воды или другой
жидкости
тонкослойная хроматография –
НФ служит либо тонкий слой
сорбента на плоской
поверхности (стеклянная,
алюминиевая, пластмассовая
пластинка)

21.

6.9 Классификация по технике
эксперимента
распределительная хроматография возможна только при жидкой НФ,
адсорбционная хроматография — при твёрдой НФ.

22.

АНАЛИТИЧЕСКАЯ
ХИМИЯ
И
ФИЗИКОХИМИЧЕСКИЕ
МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Глава 7. Адсорбционная
хроматография

23.

7.10 Тонкослойная хроматография (ТСХ)
Тонкослойная хроматография (ТСХ) — разновидность плоскостной
адсорбционной хроматографии, при которой адсорбент используют в
виде тонкого слоя на пластинке. Это один из наиболее
распространенных методов адсорбционной хроматографии.
1. На линию старта наносят пробу (смесь
веществ А и В).
2. Пластинку погружают в хроматографической
камере в ПФ — специально подобранный
растворитель или смесь растворителей.
3. Под действием капиллярных сил ПФ
самопроизвольно перемещается вдоль НФ от
стартовой линии до линии фронта
растворителя, увлекая компоненты.
4. Компонент с меньшим сродством к НФ (А)
движется быстрее компонента В.
5. После достижения подвижной фазой линии
фронта хроматографирование прерывают,
пластинку извлекают, высушивают и
определяют положение пятен веществ.

24.

7.11 Принцип и основные понятия ТСХ
Компонент А переместился от
линии старта на расстояние lА,
компонент В — на расстояние lВ,
растворитель прошел
расстояние L.
Коэффициент подвижности Rf (Rfфактор)
коэффициент подвижности лежит в
пределах Rf = 0–1.
Оптимальное значение составляет 0,3–0,7.
Условия хроматографирования подбирают
так, чтобы величина Rf отличалась от нуля и
единицы.
Для воспроизводимых и строго постоянных
условий хроматографирования Rf = const.

25.

7.12 Тонкослойная хроматография (ТСХ)
природа и качество растворителя, его
чистота
Факторы
влияющи
е на Rf
природа и качество сорбента (тонкого слоя),
), равномерность зернения, толщина слоя
активность сорбента (содержание влаги)
техника эксперимента (масса образца, длина
L пробега растворителя)
навык экспериментатора

26.

7.13 Принцип и основные понятия ТСХ
Относительный коэффициент
подвижности Rs
В качестве стандарта часто выбирают такое
вещество, для которого в
данных условиях Rf ~ 0,5.
По химической природе стандарт
выбирается близким к разделяемым
веществам.
С применением стандарта величина Rs
обычно лежит в пределах Rs — 0,1— 10,
оптимальные пределы — около 0,5—2.
Для более надежной идентификации используют «свидетелей» —
эталонные вещества. Если Rf = Rf(свид), то с большой вероятностью
вещество-свидетель присутствует в хроматографируемой смеси.

27.

7.14 Критерии разделения и
селективность
Степень (критерий) разделения
R(A/B)
Чем больше величина R(A/B), тем четче
разделяются пятна компонентов А и В на
хроматограмме
Коэффициент разделения α
(селективность)
Если α = 1, то компоненты А и В не
разделяются.

28.

7.15 Материалы, применяемые в ТСХ.
Сорбенты
Важнейшей характеристикой сорбента является его активность, т. е. способность сорбировать
(удерживать) компоненты разделяемой смеси.

29.

7.15 Материалы, применяемые в ТСХ.
Сорбенты
нерастворимость в
ПФ.
размер
частиц
(0,5–5 мкм),
большая
удельная
поверхность,
химическая
индифферентнос
ть к ПФ и пробе,
устойчивост
ьк
истиранию и
однородност
ь,
Различают пластинки с незакрепленным (сухое нанесение порошка)
и закрепленным слоем (с добавкой вяжущего — гипса, крахмала). На
практике чаще используют заводские хроматографические пластинки,
которые дают воспроизводимые результаты.

30.

7.16 Материалы, применяемые в ТСХ.
Растворители
Выбор растворителя определяется природой сорбента и свойствами анализируемой смеси.
Элюирующая способность — способность вытеснять соединения,
сорбированные на НФ, связана с полярностью растворителя (обычно
характеризуется диэлектрической проницаемостью ε или константой
полярности). Чем полярнее растворитель, тем сильнее он конкурирует с
сорбатом за активные центры сорбента и тем быстрее продвигает
вещество по слою.
Правило выбора ПФ: если вещество движется слишком медленно (Rf < 0,2),
следует увеличить полярность растворителя (перейти к более сильному элюенту).
Если вещество движется слишком быстро (Rf > 0,8) — полярность необходимо
уменьшить.
На практике редко используют индивидуальные растворители; чаще готовят смеси
двух растворителей из разных частей элюотропного ряда
(например, гексан : этилацетат или хлороформ : метанол), добиваясь
оптимальных значений Rf = 0,3–0,7.

31.

7.16 Материалы, применяемые в ТСХ.
Растворители
Выбор растворителя определяется природой сорбента и свойствами анализируемой смеси.

32.

7.17 Виды хроматограмм
восходящая
нисходящая
ПФ движется снизу вверх
за счет капиллярных сил
(только пластинки с
закрепленным слоем).
ПФ подается сверху, сила
тяжести ускоряет
движение (для медленно
движущихся
компонентов).
горизонтальна
я
пластинка расположена
горизонтально. Круговой
вариант: стартовая линия
— окружность радиуса
~1,5–2 см, ПФ подается
через фитиль в центре
круглой пластинки,
перемещаясь к
периферии.

33.

7.18 Виды хроматографирования
одномерная
(однократна
я)
без изменения направления ПФ
Двумерная
для сложных смесей (белки,
аминокислоты). Сначала разделение
с ПФ₁, затем пластинку
поворачивают на 90° и
хроматографируют с ПФ₂, добиваясь
полного разделения
Многократн
ая
(повторная)
несколько раз последовательно с
одной и той же ПФ
Ступенчатая
последовательно с разными ПФ

34.

7.19 Методы детектирования
Облучение УФ
• для
флуоресцирующи
х соединений
(пятна светятся)
или
нефлуоресцирую
щих веществ с
сорбентом,
содержащим
флуоресцирующи
й индикатор (фон
светится, пятна —
нет)
Термическая
обработка
Химическая
обработка
• нагревание до
~200 °С; пятна
проявляются как
коричневые зоны
за счет термолиза
органических
компонентов.
• реагенты,
образующие
окрашенные
соединения: пары
иода, аммиака,
брома,
сероводород,
растворы

35.

7.19 Методы детектирования

36.

7.20 Количественный анализ
Относительная ошибка — 5–10%. Способы:
• Анализ пятен: связь между площадью пятна и
содержанием (градуировочный график по эталонам).
• Сравнение
интенсивности
(пропорциональна количеству).
окраски
• Извлечение
компонентов
из
хроматограммы
(экстракция,
элюирование)
с
последующим
определением аналитическим методом.

37.

АНАЛИТИЧЕСКАЯ
ХИМИЯ
И
ФИЗИКОХИМИЧЕСКИЕ
МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Глава 8. Бумажная
хроматография

38.

8.1 Бумажная хроматография
В бумажной хроматографии носителем неподвижной жидкой фазы
служит специальная хроматографическая бумага.
Хроматографическая бумага выпускается
промышленностью и должна отвечать ряду
требований:
• готовиться из высококачественных
волокнистых сортов хлопка;
• быть однородной по плотности и толщине, по
направлению ориентирования волокон;
• химически чистой и инертной по отношению к
неподвижной фазе и разделяемым
компонентам.

39.

8.1 Бумажная хроматография
В бумажной хроматографии носителем неподвижной жидкой фазы
служит специальная хроматографическая бумага.
Хроматографическая бумага выпускается
промышленностью и должна отвечать ряду
требований:
• готовиться из высококачественных
волокнистых сортов хлопка;
• быть однородной по плотности и толщине, по
направлению ориентирования волокон;
• химически чистой и инертной по отношению к
неподвижной фазе и разделяемым
компонентам.
Нормально
-фазовая
Обращенн
о-фазовая

40.

8.2 Нормально-фазовая БХ
Неподвижная фаза
(НФ)
Вода, сорбированная в виде тонкого слоя на волокнах и находящаяся в порах
гидрофильной хроматографической бумаги (до ~25% по массе). Связанная вода
отличается по структуре от обычной жидкой воды.
Подвижная фаза (ПФ)
Органическая жидкость (или смесь органических растворителей),
насыщенная водой. Пример: смесь уксусной кислоты, н-бутанола и воды
(1:4:5). Также этилацетат, хлороформ, бензол и др.
Тип
хроматографической
бумаги
Гидрофильная (обычная хроматографическая бумага из
высококачественных сортов хлопка). Бумага удерживает воду за счёт
водородных связей с целлюлозой.
Полярность фаз
Неподвижная фаза — полярная (вода). Подвижная фаза — менее
полярная (органический растворитель).
Тип разделяемых
веществ
Полярные и гидрофильные соединения: аминокислоты, пептиды, сахара,
гликозиды, нуклеотиды, карбоновые кислоты, фенолы, алкалоиды.
Подготовка ПФ
Органическую ПФ насыщают водой перед хроматографированием, чтобы
предотвратить растворение воды, сорбированной на бумаге.
Применение
(примеры)
— Разделение аминокислот (с детектированием нингидрином).
— Анализ углеводов (сахаров).
— Идентификация органических кислот.
— Контроль чистоты лекарственных веществ (фармакопейный метод).

41.

8.3 Обращённо-фазовая БХ
Неподвижная фаза
(НФ)
Органический растворитель (неполярный или малополярный): нафталин,
силиконовые масла, парафин, которые сорбируются на волокнах
гидрофобной бумаги.
Подвижная фаза (ПФ)
Вода, водные растворы, спиртовые растворы, смеси кислот со
спиртами. ПФ полярна, хорошо растворяет гидрофильные соединения.
Тип
хроматографической
бумаги
Гидрофобная (обычная бумага, обработанная пропиткой — нафталин,
силиконовые масла, парафин). Вода не удерживается на такой бумаге и не
смачивает её.
Полярность фаз
Неподвижная фаза — неполярная (органический растворитель). Подвижная
фаза — полярная (вода, водно-спиртовые смеси).
Тип разделяемых
веществ
Неполярные и малополярные соединения: липиды, стероиды, терпены,
жирорастворимые витамины (A, D, E, K), углеводороды, высшие жирные
кислоты, каротиноиды.
Подготовка ПФ
Водную ПФ (или спиртовую) не насыщают органической фазой; важна
чистота растворителя.
ё
— Разделение липидов и фосфолипидов.
— Анализ стероидных гормонов.
— Выделение и идентификация жирорастворимых витаминов.
— Анализ каротиноидов и хлорофиллов.

42.

8.4 Проведение эксперимента
Нанесение
пробы
На полоску хроматографической бумаги на линию старта (на расстоянии 2–
3 см от нижнего края) наносят каплю анализируемого раствора,
содержащего смесь разделяемых веществ. Диаметр пятна стараются
делать минимальным (1–3 мм).
Подготовка
камеры
Бумагу подвешивают в закрытой хроматографической камере (стеклянный
сосуд с крышкой), предварительно насыщенной парами растворителя.
Хроматограф
ирование
Бумагу ниже линии старта погружают в подвижную фазу (ПФ), располагая
бумагу вертикально. Закрывают камеру крышкой и проводят
хроматографирование до тех пор, пока ПФ не достигнет обозначенной на
бумаге линии фронта растворителя (обычно на расстоянии 10–15 см от
старта).
Обработка
После достижения фронтом заданной линии процесс прерывают, бумагу
извлекают, сушат на воздухе.
Детектирова
ние и
идентификац
ия
Проводят детектирование пятен (УФ-свет, химические проявители,
например, нингидрин для аминокислот, реактив Драгендорфа для
алкалоидов) и идентификацию компонентов смеси (по величинам Rf,
сравнением со свидетелями).

43.

АНАЛИТИЧЕСКАЯ
ХИМИЯ
И
ФИЗИКОХИМИЧЕСКИЕ
МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Глава 9. Осадочная
хроматография

44.

9.1 Осадочная хроматография
Осадочная хроматография — метод, основанный на использовании
химических реакций осаждения разделяемых компонентов смеси с
реагентом-осадителем, входящим в состав неподвижной фазы (НФ).
Метод применяется преимущественно для разделения и
идентификации неорганических ионов, входящих в состав смесей.
Разделение
осуществляется
вследствие неодинаковой
растворимости
образующихся соединений,
которые переносятся
подвижной фазой с
различной скоростью:
менее растворимые
вещества переносятся с
ПФ медленнее, чем более
растворимые.

45.

9.2
Пример
разделения
галогенид-ионов
Используют хроматографическую колонку заполненную сорбентом.
Сорбент состоит из носителя — оксида алюминия Al₂O₃ или диоксида
кремния SiO₂, пропитанного раствором нитрата серебра AgNO₃
(содержание нитрата серебра составляет около 10% по массе от массы
сорбента-носителя).
В результате получают первичную осадочную
хроматограмму. Для более четкого разделения зон
после получения первичной хроматограммы через
колонку пропускают чистый растворитель до
получения вторичной осадочной хроматограммы с
четким разделением зон осадков.

46.

9.3 Классификация способов ОХ
Колоночная
— После пропускания через
колонку чистого
растворителя получают
четко разделенные зоны
(при условии, что
растворимости осадков
различаются не менее чем в
три раза).
Плоскостная
— Метод
отличается хорошей
воспроизводимостью
В случае образования
бесцветных зон осадков
результатов.
хроматограмму проявляют: либо пропускают через колонку растворпроявитель, дающий с осадками окрашенные продукты реакции, либо
сразу вводят проявитель в ПФ или в НФ.

47.

9.4 Материалы ОХ
Носители
Осадители
• силикагель (SiO₂);
• крахмал;
• оксид алюминия
(Al₂O₃);
• оксид кальция (CaO);
• сульфат бария
(BaSO₄);
• ионообменные
смолы.
• иодид натрия (NaI);
• сульфид натрия
(Na₂S);
• сульфат серебра
(Ag₂SO₄);
• ферроцианид калия
(K₄[Fe(CN)₆]);
• оксихинолин;
• пиридин.
Носитель используется
в тонкодисперсном
состоянии с размерами
частиц около 0,02–0,10 мм.
реагенты, которые
образуют малорастворимые
осадки с
хроматографируемыми

48.

9.5 Закрепление осадителя

49.

АНАЛИТИЧЕСКАЯ
ХИМИЯ
И
ФИЗИКОХИМИЧЕСКИЕ
МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Глава 10. Гель хроматография

50.

10.1 Осадочная хроматография
Гель-хроматография (гель-проникающая хроматография) —
разновидность ситовой хроматографии, в которой в качестве
неподвижной фазы применяют гели — вещества, способные к
набуханию и имеющие поры разного размера.
Гидрофильные гели:
Гидрофобные гели:
• декстрановые
(сефадексы,
молселекты);
• полиакриламидные
(биогели);
• оксиалкилметакрилат
ные (сфероны).
• некоторые
сефадексы;
• полистирольные
(стирогель, порагель);
• поливинилацетатные
гели;
• пористый силикагель;
• пористое стекло
(порасил).

51.

10.2 Сефадексы
• Декстран (C₆H₁₀O₅)ₙ —
полисахарид,
образующийся
из
сахарозы под действием
бактерий,
с
высокой
молекулярной массой (до
десяти миллионов).

52.

10.3 Классификация гелей по
механическим свойствам

53.

10.4 Области применения гельхроматографии
Обессоливание растворов
• малые по размеру ионы солей проникают в поры геля и удерживаются там,
тогда как крупные молекулы (белки, полисахариды) элюируются первыми.
Групповое разделение высокомолекулярных и
низкомолекулярных органических соединений
• например, глицеридов жирных кислот с молекулярной массой около 200–
500.
Анализ биологических объектов
• часто с использованием буферных систем для предотвращения
разрушения ферментов.
Определение молекулярной массы белков (
• в том числе содержащихся в сыворотке крови, в спинномозговой жидкости
Определение молекулярной массы углеводородов и других
веществ.

54.

АНАЛИТИЧЕСКАЯ
ХИМИЯ
И
ФИЗИКОХИМИЧЕСКИЕ
МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Глава 11. Газожидкостная
хроматография

55.

11.1 Газожидкостная хроматография
Газовая хроматография — процесс разделения компонентов смеси,
основанный на различии в равновесном распределении компонентов
между двумя фазами: газом-носителем (подвижная фаза) и либо
твёрдой фазой (газоадсорбционная хроматография), либо жидкостью,
нанесённой на твёрдый носитель или стенки колонки (газожидкостная
хроматография, ГЖХ).
ГЖХ: Анализируемая смесь (обычно раствор) летучих компонентов
переводится в парообразное состояние и смешивается с потоком
инертного газа-носителя (азот, гелий, аргон, водород), образуя
подвижную фазу (ПФ). Эта смесь попадает в хроматографическую
колонку, заполненную неподвижной (стационарной) жидкой фазой
(НФ).

56.

Разделяемые компоненты распределяются между ПФ и НФ в соответствии с их
коэффициентами распределения K
11.2 Основной принцип
Равновесный обмен осуществляется в результате многократного
повторения актов сорбция ⇄ десорбция.

57.

11.3 Теоретические основы
Хроматограмма — зарегистрированная во времени последовательность
показаний регистратора. Каждому разделённому компоненту
соответствует пик. По оси абсцисс откладывают время (или расстояние),
по оси ординат — величину аналитического сигнала.
• τ₀ — время выхода несорбируемого
компонента (например, растворителя); τ₀ =
L/v, где L — длина колонки, v — линейная
скорость газа-носителя.
• τ₁, τ₂ — время удерживания компонентов 1 и
2 (от момента ввода пробы до максимума
пика).
• Ширина пика a(1), a(2) у основания
и полуширина a(1)1/2, a(2)1/2 (на половине
высоты).

58.

11.3 Теоретические основы
Время удерживания — качественная характеристика каждого
компонента; измеряется от момента ввода пробы до момента выхода
максимума (вершины) пика.
Исправленное время удерживания: t' = t - t₀ — время, в течение которого
компонент находится в НФ; пропорционально коэффициенту
распределения K.
Относительное время удерживания: tотн = t / tст где tст — время
удерживания стандарта.
Относительное исправленное время удерживания: t ' отн = (t - t₀)/(tст - t₀)

59.

11.3 Теоретические основы
расстояние удерживания I, пропорциональное времени удерживания,
т.е. расстояние (например, в мм) на хроматограмме от точки,
соответствующей моменту ввода пробы, до абсциссы, отвечающей
положению максимума (вершины) пика.
Объём удерживания V = t·v — объём ПФ, выносящий вещество из
колонки.
Коэффициент удерживания (замедления) это отношение скорости
перемещения w данного компонента вдоль хроматографической
колонки к скорости v движения потока газа-носителя R = w/v = t₀/t, где w
— скорость компонента, v — скорость газа-носителя.
Коэффициент ёмкости k' = (t - t₀)/t₀ = t'/t₀. Чем выше k', тем дольше
вещество находится в НФ.

60.

11.3 Эффективность колонки
Эффективность хроматографической колонки характеризуется числом
теоретических тарелок и величиной, эквивалентной теоретической
тарелке.
Степень разделения Rs (разрешение пиков) количественно
характеризует разделение двух пиков на хроматограмме и
рассчитывается по формуле
Если Rs < 1 — разделение
неполное;
при Rs > 1 — полное
разделение

61.

11.3 Эффективность колонки
Разделение пиков Дt
• с ростом длины колонки L степень
разделения увеличивается;
• одновременно возрастает и
продолжительность анализа.
Коэффициент
разделения α
Коэффициент разделения
характеризует селективность НФ по
отношению к двум данным компонентам
и относительное расположение
разделяемых пиков на хроматограмме.
Если α = 1, то Rs= 0, т.е. два
хроматографируемые вещества не
разделяются.
Чем больше α , тем лучше разделение пиков на
хроматограмме, тем НФ более селективна по
отношению к двум данным разделяемым
веществам.
n — число теоретических
тарелок

62.

11.3 число теоретических тарелок
При
хроматографическом
разделении
компонентов смеси
осуществляется
перенос вещества
через границу раздела
двух фаз — ПФ и НФ.
Чем больше число
таких переходов, тем
более полно
разделяются
компоненты смеси
. Количество подобных
переходов
характеризует
эффективность
хроматографической
колонки
Теоретическая тарелка — участок колонки, на котором устанавливается равновесное
распределение вещества между ПФ и НФ. Чем больше n, тем эффективнее колонка.
высота, эквивалентная теоретической тарелке
— ВЭТТ
Число теоретических
тарелок может
составлять от
нескольких сотен до
нескольких тысяч.
Чем меньше величина ВЭТТ, тем менее размыта
зона (полоса) отделяемого компонента при его
выходе из колонки.

63.

11.3 Влияние температуры
С ростом
температуры
увеличивается
скорость
движения
молекул,
При низких температурах (до 200–250 °С)
разделяют легколетучие вещества
(углеводороды, спирты, эфирные масла).
При высоких температурах (250–400 °С) —
фенолы, высокомолекулярные спирты,
жирные кислоты.
зоны
становятся
более узкими,
эффективност
ь возрастает
снижается
селективность

64.

11.4 Устройство газового хроматографа

65.

11.4 Материалы ГХ
Хроматографические колонки
• Наполненные
(насадочные)
колонки: металлические или
стеклянные трубки длиной 1–
5 м, внутренним диаметром
1,5–5
мм,
заполненные
насадкой (твёрдый носитель +
жидкая НФ).
• Капиллярные
колонки:
стеклянные
(кварцевые) трубки длиной от
десятков до сотен метров,
диаметром 0,1–0,6 мм. НФ
нанесена
на
внутреннюю
поверхность. Обеспечивают.
более
высокую
эффективность
Твёрдый носитель
• Требования: высокая
механическая прочность,
химическая инертность,
малая адсорбционная
активность. Размер зерен:
0,1–0,5 мм. Удельная
поверхность: 100–1000
м²/г. Материалы: диатомит
(сферохром, хроматон,
хезосорб, целит), оксид
алюминия, фторуглероды
(тефлон), полистирол,
сополимеры стирола и
дивинилбензола
(полисорбы), стеклянные
шарики, графитированная
сажа (карбохром), NaCl и
др.
Жидкая неподвижная фаза
(НФ)
• Нелетучая,
высококипящая жидкость
с низкой вязкостью:
углеводороды C₁₀–C₃₀,
полисилоксаны
(силиконы), полигликоли
(полиэтиленгликольадипи
нат), полиэфиры, амиды,
амины, жирные кислоты.
Масса НФ: 1–20% от массы
носителя (обычно 5–10%).
Нанесение: раствор НФ в
летучем растворителе
смешивают с носителем,
растворитель упаривают.
После заполнения колонку
кондиционируют
нагреванием в потоке газаносителя.

66.

11.4 Детекторы ГХ

67.

11.4 Комбинированные методы анализа
Комбинированные (гибридные, гипфенированные) методы анализа —
это сочетание двух или более независимых аналитических методов в
единой системе, позволяющее получить как информацию о разделении
компонентов смеси, так и их идентификацию, а также данные о
химическом строении молекул.

68.

11.4 Сочетание ГЖХ с ИКПри использовании методов ИК-спектроскопии для идентификации
спектроскопией
или определения компонентов разделяемой в хроматографе смеси
поток ПФ при выходе из колонки не направляется в детектор, а
улавливается: отделенный компонент конденсируется в кювете (либо
конденсируется и переносится в кювету) для записи ИК-спектра
поглощения образовавшейся жидкости. Можно из колонки пропускать
ПФ непосредственно в газовую кювету и записывать ИК-спектр
поглощения паровой фазы.

69.

11.4 Хромато-масс-спектрометрия
Хромато-масс-спектрометрия — комбинированный метод,
объединяющий капиллярную газожидкостную
хроматографию (высокая разделяющая эффективность и
селективность) с масс-спектрометрическим анализом (получение
детальной информации о строении молекул и воспроизведение
структурной формулы исследуемого вещества).

70.

11.4 Хромато-масс-спектрометрия

71.

11.4 Хромато-масс-спектрометрия
Сущность данного комбинированного метода состоит в следующем.
Анализируемая газообразная проба, попадая из газового хроматографа
(минуя детектор) в масс-спектрометр, ионизируется: из молекул под
действием электронного удара выбиваются электроны. При этом
происходит фрагментация молекулы — её распад на отдельные
положительно заряженные части («осколки») с различной массой.
1.Ионизация и фрагментация — молекулы под действием электронного пучка (энергия электронов 10–
100 эВ) теряют валентные электроны и распадаются на положительно заряженные фрагменты.
2.Ускорение и фокусировка — образовавшиеся положительные ионы фокусируются в ионный пучок и
ускоряются, проходя между пластинами с высокой разностью потенциалов; ионы с различной массой
получают разную скорость.
3.Разделение в магнитном поле — ионы попадают в магнитное поле, в котором траектории ионов с
различной массой приобретают неодинаковую кривизну (отклоняются магнитным полем по-разному).
4.Детектирование — изменяя напряжённость магнитного поля, можно последовательно направлять в
детектор все пучки ионов и таким образом получить полный масс-спектр данного вещества.

72.

11.4 Хромато-масс-спектрометрия
Расшифровка массспектра: каждый пик на массспектре соответствует
определённому фрагменту
(осколку) молекулы. Самый
тяжелый фрагмент (наибольшее
m/z) часто соответствует
молекулярному иону M⁺, по
массе которого можно
определить молекулярную массу
вещества. Характерные
«осколочные» пики позволяют
восстановить структуру
молекулы (например, потеря
метильной группы CH₃⁻ даёт пик
[M-15]⁺, потеря воды — [M-18]⁺ и
т.д.).

73.

11.4 Сравнение

74.

11.4 Сравнение

75.

АНАЛИТИЧЕСКАЯ
ХИМИЯ
И
ФИЗИКОХИМИЧЕСКИЕ
МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Глава 12. ВЭЖХ

76.

12.1
ВЭЖХ
Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) — метод,
основанный на тех же принципах, что и ГЖХ, но в качестве (ПФ)
используется поток жидкости, не смешивающейся с жидкой (НФ)
хроматографической колонки. Таким образом, в ВЭЖХ обе
контактирующие фазы — НФ и ПФ — жидкости.

77.

12.1 ВЭЖХ