Органикалық заттардың Газ хроматография. Әдістің негізігі ана-қ сипат-сы
Газовая хроматография – это вариант хроматографии, в котором подвижной фазой является инертный газ (газ-носитель), протекающий через неподвижную фазу, обладающую большой поверхностью. Обычно в качестве подвижной фазы используют гелий, азот, аргон, водород,
диоксид углерода или воздух. Газ-носитель должен быть инертным по отношению к разделяемым веществам и сорбенту, взрывобезопасным и достаточно чистым. Выбор газа-носителя в каждом конкретном случае должен обеспечивать соответствие его физических свойств получению высокой эффективности колонки и достаточной чувствительности детектора.
Газовая хроматография – метод разделения летучих соединений. Этим методом можно проанализировать газообразные, жидкие и твердые вещества с молекулярной массой меньше 400, удовлетворяющие определенным требованиям, главные из которых – летучесть, тер мостабильность, инертность и легкость получения. Количественный анализ можно провести только в том случае, если вещество термостой ко, т.е. испаряется в дозаторе воспроизводимо и элюируется из колонки без разложения. При разложении вещества на хроматограмме появляют-ся ложные пики, относящиеся к продуктам разложения. Вещество не должно образовывать устойчивых сольватов при растворении в неподвижной жидкой фазе и реагировать с материалами, из которых изго товлены детали хроматографа. Этим требованиям удовлетворяют, как правило, органические вещества, поэтому ГХ чаще используют как ме тод анализа органических соединений, хотя этим методом можно опре делять почти все элементы периодической системы в виде летучих соединений.
Наиболее широко метод газоадсорбционной хроматографии приме няют для
анализа смесей газов и низкокипящих углеводородов, не со держащих активных функциональных групп. Например, для разделения О2, N2, СО, СН4, СО2 с успехом применяют глинистые материалы, сорбенты, называемые порапаками, используют для разделения гидридов металлов (Ge, As, Sn, Sb). Метод ГАХ на колонках с пористыми поли мерными сорбентами– удобный и быстрый способ определения воды в неорганических и органических материалах.
Газожидкостная хроматография
В аналитической практике чаще используют метод газожидкостной хроматографии. Это связано с чрезвычайным разнообразием жидких неподвижных фаз. В газожидкостной хроматографии неподвижной фазой служит практически нелетучая при температуре колонки жидкость, на-
несенная на твердый носитель. Количество жидкой фазы составляет 5-30% от массы твердого носителя.
Сұрақ.
Для успешного осуществления хроматографического разделения, в первую очередь важно обеспечить умеренное взаимодействие разделяемых веществ с сорбентом, поскольку, при отсутствии такого взаимодействия разделение не происходит, а при слишком сильном взаимодействии происходит прочная сорбция компонентов пробы на сорбенте. Они, либо вообще не выходят из колонки, либо выходят неприемлемо долго, и цель хроматографического эксперимента также не достигается.
Если в распоряжении хроматографиста уже есть колонка, заполненная определенным типом сорбента, единственным средством регулирования удерживания компонентов пробы является состав элюента. В качестве элюента могут выступать органические растворители, их смеси, водные растворы органических и неорганических веществ. Каждый растворитель обладает по отношению к конкретному типу сорбента определенной элюирующей силой, под которой понимают способность данного растворителя вымывать (десорбировать) с данного сорбента разделяемые вещества.
· Для каждой хроматографической системы растворители по возрастанию или убыванию элюирующей силы можно расположить в элюотропный ряд.
· Казалось бы, учитывая то многообразие органических и неорганических веществ, которые можно было бы использовать в качестве растворителей, всегда можно подобрать некое вещество, обладающее в данной хроматографической системе подходящей элюирующей силой.
· Тем не менее, в практике хроматографии использование элюентов, состоящих из одного вещества - явление крайне редкое. Этому есть несколько причин.
· Во-первых, некоторые вещества сложно использовать в качестве растворителей ввиду их высокой стоимости, токсичности, химической нестойкости или агрессивного воздействия на элементы хроматографической аппаратуры.
· Во-вторых, препятствием к использованию в качестве компонентов элюента некоторых растворителей является совокупность их физических свойств, например, высокая вязкость, обуславливающая применение неприемлемо высокого давления на входе в колонку для создания оптимальной скорости протока элюента через слой сорбента. Целый ряд ограничений для использования растворителей в колоночной ЖХ накладывают и способы детектирования веществ, выходящих из колонки.
· Именно из-за совокупности этих причин в качестве основы элюента чаще всего используют смесь двух растворителей – с заведомо более слабой (растворитель А) и с заведомо более сильной (растворитель В) элюирующей силой, чем это необходимо для данного хроматографического разделения.
· Компонент А обеспечивает преимущественно транспортную функцию для перемещения в колонке уже десорбированного вещества, компонент В, напротив, являясь конкурентом разделяемых веществ в сорбционных процессах, может их вытеснять с сорбента в объем элюента и, тем самым, значительно уменьшать их время удерживания. Увеличивая долю компонента В в растворителе А, можно плавно менять элюирующую силу этой смеси и добиться практически любой ее величины в промежутке элюотропного ряда от А до В.
· Сразу же следует оговориться, что один и тот же растворитель, в зависимости от типа применяемого сорбента, может быть как сильным элюентом, так и слабым. Кроме того, смеси разных растворителей при одинаковой элюирующей силе могут обладать различным воздействием на селективность разделения данной пары веществ. По этой причине иногда часть одного сильного компонента заменяют на другой, также сильный компонент, но с другой селективностью, и элюент получается уже трехкомпонентным. Однако на практике необходимость в этом возникает достаточно редко.
· До сих пор рассматривалось применение элюента одного состава для проведения всего хроматографического эксперимента. Такой режим в хроматографии называется изократическим элюированием (в сленговом варианте – изократом). Однако не всегда задачу качественного разделения смеси удается решить в этом режиме.
· Как уже говорилось, на хроматограмме в идеале одному пику соответствует один компонент пробы. Если разделяемая смесь содержит всего 2-3 вещества, то, варьируя состав элюента, добиться этого - не составляет большого труда.
· На практике, особенно при аналитическом приложении хроматографии, часто приходится иметь дело с гораздо более сложными смесями, состоящими из десятков, а порой - из сотен различных веществ. Задача существенно облегчается, когда для анализа целевыми являются лишь несколько веществ из такой смеси. В этом случае стоит задача отделения совокупности всех прочих веществ пробы, кроме анализируемых, называемых матрицейи, при организации хроматографического эксперимента, стараются добиться хорошего разделения целевых веществ, как от матрицы, так и друг от друга. Чаще всего стараются, чтобы компоненты матрицы элюировались неразделенными, в виде одного пика в начале хроматограммы со временем удерживания, близким к t0, а анализируемые вещества вышли бы отдельными пиками на чистой от посторонних веществ области хроматограммы. Зачастую и такая задача решаема в изократическом режиме.
· Все обстоит куда как сложнее, если необходимо разделение всех компонентов смеси, состоящей из нескольких веществ, удерживание которых в используемой хроматографической системе сильно отличается. В этом случае, применив достаточно слабый элюент, можно добиться хорошего разделения наиболее слабо удерживаемых компонентов пробы, а более прочно сорбированные вещества будут выходить из колонки слишком поздно в виде сильно размытых пиков или вообще останутся в колонке. Если же применить более сильный элюент, способный обеспечить приемлемые значения фактора удерживания для прочно сорбирующихся компонентов, то слишком рано выйдут плохо удерживаемые вещества, а первые из них - могут и не поделиться друг от друга.
· В этом случае выйти из положения позволяет градиентное элюирование. Суть его заключается в создании градиента концентрации сильного компонента (В) во время хроматографического разделения В начале разделения используется слабый элюент, но, либо изначально, либо как только из колонки вышли наиболее слабо сорбирующиеся компоненты, концентрацию в элюенте компонента с большой элюирующей силой (В) начинают плавно повышать и, к концу разделения, она достигает некоторого максимального значения, достаточного, чтобы быстро вымыть из колонки наиболее прочно удерживаемые вещества. К примеру, можно начать разделение при содержании в элюенте 10% компонента В, а закончить - при 60%. Таким образом, каждый из компонентов смеси хроматографируется при наиболее оптимальном составе элюента и достигается их полное и качественное разделение за гораздо меньшее время, чем при изократическом режиме.
20. Газовая хроматография — метод разделения летучих компонентов, при котором подвижной фазой служит инертный газ (газ-носитель), протекающий через неподвижную фазу с большой поверхностью. В качестве подвижной фазы используют чаще всего гелий, реже азот, ещё реже водород, аргон, углекислый газ. Газ-носитель не реагирует с неподвижной фазой и разделяемыми веществами.
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.
Разделение основано на различиях в летучести и растворимости (или адсорбируемости) компонентов разделяемой смеси.
Этот метод можно использовать для анализа газообразных, жидких и твёрдых веществ с молекулярной массой меньше 400, которые должны удовлетворять определённым требованиям, главные из которых — летучесть, термостабильность, инертность, лёгкость получения. Этим требованиям в полной мере удовлетворяют, как правило, органические вещества, поэтому газовую хроматографию широко используют как серийный метод анализаорганических соединений.
Влияние газа-носителя на относительные величины удерживания сорбата (экспериментальные исследования)
Первые эксперименты в рамках влияния газа-носителя на относительное удерживание были поставлены с целью изучения стабильности величин относительного удерживания, которые рассматривались (и нередко продолжают рас-
сматриваться и в настоящее время) как хроматографические константы вещества, не зависящие от многих условий, в том числе и от природы газа-носителя и от его давления. Началом этих исследований были работы известных хроматографистов Сояка и Рийкса, которые
изучали влияние природы газа-носителя и его давления на величины удерживания некоторых углеводородов.
Хроматографическая величина удерживания, как известно, наименее зависит от условий эксперимента, и поэтому она наиболее широко и успешно используется для расшифровки хроматограмм на протяжении многих десятилетий в аналитической газовой хроматографии. Для ароматических углеводородов при замене газа-носителя — водорода на азот индексы удерживания заметно изменяются, причем это изменение селективно, т.е. зависит также от природы хроматографируемых соединений.
Газ-носитель оказывает заметное влияние на относительные величины удерживания, и это означает, что величины относительного удерживания, строго говоря, не являются хроматографическими константами вещества.
Легкие газы-носители
Проведенные нами исследования хроматографического процесса при использовании легкихгазов-носителей Не, Н2, N7, СС>2 (газы с разной степенью отклонения от идеальности) при относительно невысоких давлениях (pav < 5 атм) показали, что, во-первых, относительные величины удерживания линейно зависят от давления газа-носителя и, во-вторых, предельные (инвариантные) величины относительного удерживания, т.е. величины удерживания при «нулевом» давлении, практически не зависят от природы используемого газа-носителя.
Для минимизации эффекта влияния газа-носителя на относительные величины удерживания желательно использовать в качестве газа-носителя гелий.
Для других газов-носителей (водород и особенно азот) зависимость индекса удерживания от давления (d/i/dpav) = bj, количественно более заметная.
При замене азота в качестве газа-носителя на СС>2 чувствительность фактора удерживания к изменению давления значительно возрастает и, следовательно, влияние газа-носителя на величины относительного удерживания и на характеристики разделения
Тяжелые газы-носители
Исследование особенностей газовой хроматографии с тяжелыми газами-носителями(относительная молекулярная масса более 100) представляет интерес по следующим причинам. Эти газы, по-видимому, оказывают более сильное влияние на величины удерживания вследствие их большей неидеальности. Можно также ожидать, что в случае тяжелых газов-носителей возможны некоторые отклонения от установленных линейных зависимостей. Следует также отметить, что тяжелые газы в качестве газов-носителей ранее практически не были изучены.
На примере тяжелого газа-носителя SFg выявлены особенности капиллярной газовой хроматографии с тяжелым газом-носителем. Индекс удерживания линейно зависит от давления SFg (коэффициент корреляции R во всех
случаях более 0,99), однако предельные величины индексов удерживания/,(0) при использовании тяжелого газа SFs и легкого газа, в частности гелия, различны. Обнаружено качественное различие в форме пиков на полярной неподвижной фазе (PEG-20M) и неполярной фазе (SE-30): на колонке с неполярной неподвижной фазой пики хроматографируемых соединений получаются асимметричными.