 ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение Как определить диапазон голоса - ваш вокал Игровые автоматы с быстрым выводом Как самому избавиться от обидчивости Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам Вкуснейший "Салат из свеклы с чесноком" Натюрморт и его изобразительные возможности Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д. Как научиться брать на себя ответственность Зачем нужны границы в отношениях с детьми? Световозвращающие элементы на детской одежде Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ) Глава 3. Завет мужчины с женщиной
Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.
| Хроматографические методы химического анализа
Хроматографические методы химического анализа широко используются для контроля загрязнений окружающей природной среды (донных отложений, почвы, природной воды, атмосферного воздуха). Например, используя метод газовой хроматографии (ГХ) на газовом хроматографе с масс-спектрометрическим детектором можно в принципе определять до 5000 летучих термически устойчивых органических соединений (молекулярный анализ) – загрязнителей атмосферного воздуха. Ароматические углеводороды – бензол, толуол, этилбензол и ксилолы в атмосфере городов определяют с помощью газового хроматографас фотоионизационным детектором. Летучие нефтепродукты (структурно-групповой анализ и молекулярный анализ), распространенные загрязнители воды и почвы, определяют на газовом хроматографе с пламенно-ионизационным детектором. Термически неустойчивые нелетучие органические соединения (молекулярный анализ), которые не могут быть проанализированы с помощью газового хроматографа, могут быть определены методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) с помощью жидкостного хроматографа с различными детекторами. Например, самые опасные загрязнители окружающей среды – полициклические ароматические углеводороды, полихлорбифенилы, диоксины, фталаты, полиамины (молекулярный анализ) и др. обнаруживают и определяют в воде, воздухе и почве главным образом методом ВЭЖХ на жидкостных хроматографах с УФ-детектором на диодной матрице или с флуоресцентным детектором.. Остатки пестицидов (молекулярный анализ) – распространенные загрязнители воды и почвы, в большинстве случаев определяют методами ВЭЖХ на жидкостных хроматографах с УФ-детектором на диодной матрице. Фенол и его производные (молекулярный анализ) на уровне ПДК без концентрирования можно определять на жидкостном хроматографе с амперометрическим детектором. Жидкостный хроматограф с атомно-эмиссионным детектором позволяет определять на уровне ПДК токсичные тяжелые металлы, такие как олово, свинец, ртуть (элементный анализ) в природных водах, почвах, донных отложениях. Ионная жидкостная хроматография (ИХ) используется для определения основных анионов (функциональный анализ) на уровне 10-4 – 10-5 % и токсичных тяжелых металлов (элементный анализ) в воде и почве. Вредные газы в атмосфере – N02, S02, S0з, НС1, НF, Сl2, NНз (молекулярный анализ) и др. – определяют с использованием ионной хроматографии. Для этих целей используют жидкостный хроматограф с кондуктометрическим детектором, компоненты разделяют на хроматографической колонке, заполненной ионообменной смолой. Хроматографические методы применяется также в газовой и нефтяной геологии. Их используют для контроля химического состава природных и попутных нефтяных газов, газовых конденсатов, тяжелых фракций нефтей, асфальтенов и даже сырых нефтей. В нефтях и нефтепродуктах оценивают экологические характеристики, в частности, определяют содержание в них бензола, общей серы и общего азота, тяжелых металлов и полиядерных ароматических соединений. Методы анализа природных газов и разных фракций нефтепродуктов регламентируются Российскими стандартами (ГОСТ). Анализы проводятся на всех этапах: в процессах геологоразведки газоносных и нефтеносных районов, добычи газа и нефти, транспортировки; на разных стадиях технологической переработки и при контроле готовой продукции. Различные варианты аналитической хроматографии позволяют проводить молекулярный, функциональный, элементный и структурно-групповой анализы. Такими возможностями не обладают никакие другие методы химического анализа. С помощью хроматографических методов определяют качественный и количественный химический состав проб вещества природного и искусственного происхождения в газообразном (ГХ) или жидком (ГХ, ВЭЖХ, ИХ) агрегатном состоянии. Проводят определение сопутствующих, следовых и микроследовых компонентов. В молекулярном анализе многокомпонентных веществ с низким содержанием определяемых компонентов на уровне ppm (10-4 %) и ppb (10-6 %) у хроматографических методов нет альтернативы. Время разделения, обнаружения, идентификации и определения десятков и иногда сотни соединений чаще всего составляет 5 – 30 мин. В пересчете на одно соединение анализ проводится за нескольких минут. Кроме того, так как одновременно определяется 20 – 100 компонентов за один ввод пробы вещества в хроматограф, то цена химического анализа в расчете на один компонент получится довольно низкой. Хроматографический анализ легко автоматизируется, начиная от ввода пробы до получения и хранения аналитической информации. При этом можно одновременно проводить как идентификацию компонентов сложного вещества, так и их количественное определение.
Принцип метода Хроматографические методы химического анализа относятся к группе физических методов по способу сравнения с эталоном количества компонента. Физические методы качественного химического анализа вещества основаны на обнаружении наличия определённого физического свойства у определяемого компонента и отсутствующего у сопутствующих компонентов при одном и том же физическом воздействии на вещество объекта анализа. Результат качественного анализа – это принятие решения о наличии или отсутствии искомого компонента в веществе объекта анализа (обнаружение и идентификация компонента). Физические методы количественного химического анализа вещества основаны на градуировке средства измерения соответствующего физического свойства по определяемому компоненту, построении градуировочного графика в координатах «интенсивность измеренного физического свойства – содержание компонента», измерении интенсивности физического свойства анализируемой аналитической пробы вещества, нахождении содержания компонента в анализируемой пробе из градуировочного графика. Аналитическая хроматография – это метод, позволяющий идентифицировать и определить компонентный состав пробы многокомпонентного вещества из одной навески. Это возможно вследствие того, что в приборах – хроматографах совмещены два блока – блок подготовки пробы вещества к измерению физического свойства, в котором происходит разделение компонентов, и измерительный блок, в котором измеряется физическое свойство отдельно для каждого компонента и его измерительный сигнал регистрируется также отдельно. Разделение компонентов многокомпонентного вещества основано на их распределении между двумя несмешивающимися фазами – неподвижной и подвижной, за счет процессов сорбции. Подвижную фазу под давлением с постоянной скоростью пропускают через хроматографическую колонку, заполненную неподвижной фазой (сорбентом). В газовой хроматографии подвижная фаза представляет собой поток инертного газа, а в жидкостной хроматографии – поток инертного жидкого растворителя или раствора. Неподвижная фаза представляет собой либо твердое пористое вещество, либо пленку жидкости, нанесенную на твердое вещество. В первом случае твердое вещество является сорбентом, во втором – твердым носителем, а сорбентом будет служить пленка жидкости. Пробу в объеме 2-5 см3 (газовая), 1 мкм3 – 10 мм3 (жидкая) с помощью шприца-дозатора или инжектора вводят в подвижную фазу. Разделение пробы многокомпонентного вещества на составляющие его компоненты А, Б и В и т.д. происходит вследствие различий в скорости перемещения компонентов вдоль хроматографической колонки. Это различие связано с различием в силе физического взаимодействия химических компонентов пробы с неподвижной фазой (явление адсорбции и абсорбции). На поверхности твердого сорбента (адсорбция) или в объёме жидкой плёнки (абсорбция) в каждый момент времени совершается элементарный акт сорбции и следом десорбции за счет движения подвижной фазы. Длительность этого момента времени зависит от химической природы компонента и сорбента. Многократное повторение элементарных актов сорбции и десорбции приводят к тому, что при достаточно большом времени движения вдоль хроматографической колонки с сорбентом компоненты пробы вещества разделяются. Другими словами, через колонку быстрее движется тот компонент, сорбционные свойства которого слабее. Например, сильно адсорбирующиеся на полярном сорбенте полярные молекулы определить либо не удается, либо анализ длится несколько часов. Скорость перемещения вдоль колонки больше также у тех компонентов, у которых выше летучесть, меньше температура кипения и меньше растворимость в жидкой неподвижной фазе сорбента. В результате этих эффектов одни компоненты при передвижении подвижной фазы вдоль хроматографической колонки с сорбентом останутся в верхнем слое сорбента, другие, из-за меньшей степени взаимодействия с сорбентом, окажутся в нижней части колонки, не сорбируемые компонеты покинут колонку вместе с фиксированной дозой подвижной фазы. Аналитический сигнал компонентов вещества формируется и регистрируется в блоке хроматографа, который называется детектором. Детектор присоединяется к хроматографической колонке. В оптимальных условиях произойдет разделение компонентов пробы вещества и каждый компонент поступит в детектор в потоке подвижного носителя отдельно от других компонентов в определенной последовательности. Регистрирующее устройство запишет сформированные в детекторе аналитические сигналы компонентов на диаграммной ленте самописца или на экране компьютера в координатах «интенсивность выходного сигнала – время». Отсчет времени ведется от времени вводы пробы вещества в хроматограф. Аналитический сигнал каждого компонента имеет форму пика. Совокупность пиков всех компонентов пробы, представляющих собой непрерывную кривую, называют хроматограммой, рис.1.
Рис. 1. Аналитические сигналы (хроматограмма) анионов, разделённых в жидкостном ионном хроматографе [Кристиан Г. Аналитическая химия: в 2 т. – Т. 2 – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – 504 с. – Рис.21.16, С. 233.]
На рисунке 2 представлена типичная хроматограмма пробы вещества природного газа, измеренная на газовом хроматографе с детектором по теплопроводности. Компоненты вещества природного газа разделены на хроматографической колонке с эфиром ТЭГМ, нанесенным на сорбент сферохром.
Время Рис. 2 Аналитические сигналы (хроматограмма) молекул природного газа, разделённых в газовом хроматографе [ГОСТ 23781-87 Государственный стандарт Союза ССР. Газы горючие природные. Хроматографический метод определения компонентного состава] 1 – метан + неуглеводородные газы; 2 – этан; 3 - диоксид углерода; 4 – пропан; 5 –и-бутан; 6 – н-бутан; 7 – и-пентан; 8 – н-пентан; 9 – 2-метилпентан + 2,3-диметилбутан; 10 – 3-метилпентан; 11 – н-гексан
Подбирая экспериментально химическую природу сорбента, размер его гранул, размеры колонки, температуру колонки, химическую природу подвижного носителя и скорость его движения вдоль колонки, можно разделить довольно сложные многокомпонентные вещества, например, нефти, нефтепродукта, руды редкоземельных элементов и идентифицировать их компоненты, рис.3.
Так как аналитический сигнал компонента регистрируется в форме пика, то интенсивность любого измеренного физического свойства этого компонента пропорционально высоте пика или его площади. Поэтому градуировочный график в количественном анализе методом аналитической хроматографии строят в координатах «высота пика, мм (или площадь пика, мм2 ) – содержание компонента», рис.4.
Рис. 4. Общий вид градуировочного графика в аналитической хроматографии [Пецев Н., Коцев Н. Справочник по газовой хроматографии: Пер. с болг. – М.: Мир, 1987. – 260 с. – Рис.12.14, с.125]
Время, соответствующее максимальному значению интенсивности аналитического сигнала компонента (высоте пика), называют временем удерживания компонента (tR),рис.5.
Рис. 5. Время удерживания – параметр удерживания, используемый для проведения качественного анализа в колоночной хроматографии [Кристиан Г. Аналитическая химия: в 2 т. – Т. 2 – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – 504 с. – Рис.19.3, С. 139.]
Параметр «время удерживания» используют для идентификации химической природы компонента. Оказывается, если проводить измерения в одних и тех же условиях, то всегда можно зафиксировать сигнал одного и того же компонента в пробе вещества через одно и тоже время после ввода пробы в хроматограф. Средства измерений Разделение и определение компонентов пробы сложного вещества осуществляют в приборах – хроматографах. Основными узлами хроматографа являются устройство для подачи подвижной фазы, система ввода пробы с дозатором пробы, хроматографическая колонка, детектор, регистрирующее устройство, рис.6.
Рис. 6. Схема газового хроматографа [Кристиан Г. Аналитическая химия: в 2 т. – Т. 2 – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – 504 с. – Рис.20.1, С. 157.]
В хроматографической колонке происходит разделение компонентов. Материал колонки должен быть химически инертен по отношению к компонентам пробы. Материал, длина, диаметр и форму колонки подбирают экспериментально. В ГХ применяют прямые, U – образные и спиральные хроматографические колонки длиной от 1 м до нескольких десятков метров. Например, кварцевые капиллярные колонки могут иметь длину до 100 м. Внутренний диаметр колонок может быть от 8 до 0.1 мм. Колонки чаще всего изготавливают из нержавеющей стали, латуни, меди, различных сортов стекла, полиэтилена, тефлона. Колонки для ВЭЖХ, которые чаще всего используют в анализе объектов окружающей природной среды, имеют длину 10 – 25 см, внутренний диаметр 4 – 6 мм. Все колонки, кроме капиллярных, заполняют сорбентом – твердым адсорбентом, либо жидким абсорбентом, нанесенным на твердый носитель. Выбор сорбента зависит от агрегатного состояния пробы анализируемого вещества, сорбционных свойств определяемых компонентов, способа разделения компонентов и других факторов. Например, в качестве адсорбента в ГХ используют оксид алюминия, силикагели, активированные угли, пористые полимеры на основе стирола, дивинилбензола, синтетические цеолиты и др. В ВЭЖХ колонки заполняют сферическими частицами силикагеля размером 5 – 10 мкм с привитыми октадецильными группами. Хроматографические колонки присоединяют к детектору. Детектор предназначен для обнаружения изменения в составе подвижного носителя, прошедшего через колонку. В детекторе происходит преобразование входной величины – количества компонента в смеси, в другую физическую величину – физическое или физико-химическое свойство этого компонента или системы компонент – подвижная фаза. Разработано более 50 типов детекторов. Детекторы различаются по физическому принципу измерений, заложенному в их конструкцию. В качестве детекторов в хроматографах для ГХ используются детектор по теплопроводности (катарометр), пламенно-ионизационный, электронного захвата, термохимический, термоионный, масс-спектрометрический и др. В качестве детекторов в хроматографах для ВЭЖХ массово используются УФ-детектор на диодной матрице, флуоресцентный, пламенно-фотометрический, кондуктометрический, полярографический. По количеству определяемых компонентов детекторы подразделяют на универсальные и селективные (специфические). В универсальном детекторе получают аналитический сигнал от каждого компонента независимо от его химической природы, поступающего в детектор с подвижной фазой, а в селективном – только от компонентов со сходными химическими свойствами. К универсальным относятся пламенно-ионизационный, атомно-эмиссионный, масс-спектрометрический и инфракрасные спектрометрические детекторы. Селективными детекторами являются электронно-захватный (селективен к галогенсодержащим соединениям), термоионный (селективен к азот- и фосфорсодержащим соединениям), фотоионизационный (селективен к ароматическим углеводородам), детектор по электролитической проводимости (селективен к соединениям, содержащим атомы галогенов, серы и азота). Некоторые детекторы позволяют определять примеси без концентрирования на уровне 10-5 – 10-7 %. Электрохимические и флуоресцентные детекторы в высокоэффективных жидкостных хроматографах в благоприятных случаях позволяют определять примеси на уровне пико- или фемтограммов (10-12 – 10-15 г) без концентрирования. Выбор детектора зависит от агрегатного состояния анализируемого вещества, его физических и химических свойств, числа и концентрации определяемых компонентов и желаемого времени анализа. Для определения большого числа компонентов в анализируемой пробе вещества из одной навески используют универсальный детектор. Если нужно определять несколько компонентов, близких по своим свойствам, используют селективный детектор. Для повышения селективности и уменьшения времени анализа используют комбинации универсальных и селективных детекторов. Например, горючие компоненты природного газа определяют по теплоте сгорания или ионизационному эффекту в пламенно-ионизационном детекторе, негорючие – по теплопроводности в детекторе по теплопроводности. Оба детектора монтируют в один хроматограф. |
Рис. 3. Пример хроматограммы бензина (многокомпонентное вещество), разделённой на капиллярной колонке газового хроматографа [Кристиан Г. Аналитическая химия: в 2 т. – Т. 2 – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – 504 с. – Рис.20.3, С. 162.]
