ФИЗИКО — ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЧВ Газохроматографический анализ

ФИЗИКО - ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЧВ Газохроматографический анализ 2013 год

Физико-химические основы хроматографического процесса Хроматогра фия (от греч. χρώμα - цвет) — метод разделения и анализа смесей веществ, а также изучения физикохимических свойств веществ. Метод основан на распределении веществ между двумя фазами — неподвижной и подвижной (элюент). Название метода связано с первыми экспериментами по хроматографии, в ходе которых разработчик метода Михаил Цвет разделял ярко окрашенные растительные пигменты.

История метода Метод хроматографии 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.

Хроматографические термины • Колонка — содержит хроматографический сорбент, выполняет функцию разделения смеси на индивидуальные компоненты. • Элюент — подвижная фаза: газ, жидкость или (реже) сверхкритический флюид. • Хроматограмма — результат регистрирования зависимости концентрации компонентов на выходе из колонки от времени. • Детектор — устройство для регистрации концентрации компонентов смеси на выходе из колонки. • Хроматограф — прибор для проведения хроматографии.

Отдельные виды хроматографии • Высокоэффективная жидкостная хроматография • Тонкослойная хроматография • Газовая хроматография с программированием температуры • Хроматермография • Газовая хроматография с программированием расхода газ-носителя • Газовая хроматография с программированием давления газ-носителя • Хромабарография • Хроматофокусирование

Сущность хроматографического метода • Хроматография изучает термодинамику состояния двухфазных систем газ-жидкость, жидкость-жидкость, жидкость-твёрдое тело, сверхкритическое и жидкокристаллическое состояние веществ, • исследует природу межмолекулярных взаимодействий, • кинетику процессов внутреннего и межфазного массообмена, • процессы комплексообразования, ассоциации, стереохимию органических соединений и многое другое.

Классификация методов хроматографии • По агрегатному состоянию фаз Газовая хроматография: Газо-жидкостная хроматография Газо-твёрдофазная хроматография • Жидкостная хроматография: Жидкостно-жидкостная хроматография Жидкостно-твёрдофазная хроматография Жидкостно-гелевая хроматография

По механизму взаимодействия • • Распределительная хроматография Ионообменная хроматография Адсорбционная хроматография Эксклюзионная хроматография • гель -хроматография • Осадочная хроматография • Адсорбционно-комплексообразовательная хроматография

Газовая хроматография • — разновидность хроматографии, 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 водород, гелий, азот, аргон, углекислый газ. Газ-носитель не реагирует с неподвижной фазой и разделяемыми веществами.

• Различают газо-твёрдофазную и газожидкостную хроматографию. • В первом случае неподвижной фазой является твёрдый носитель (силикагель, уголь, оксид алюминия), во втором — жидкость, нанесённая на поверхность инертного носителя. • Разделение основано на различиях в летучести и растворимости (или адсорбируемости) компонентов разделяемой смеси.

Аппаратурное оформление процесса Главным прибором для этого метода исследований является газовый хроматограф

Принципиальная схема газового хроматографа: 1 – блок подготовки газов; 2 – устройство дозирования; 3 – колонка; 4 – детектор; 5 – система регистрации сигнала.

Принципиальная схема газового хроматографа • Установка потока и очистка газа-носителя выполняются блоком подготовки газов (1). • Устройство дозирования (2) позволяет вводить в поток газа-носителя перед колонкой определенное количество анализируемой смеси. • В колонке (3) осуществляется разделение смеси на компоненты. • Детектор (4) преобразует изменения какихлибо физических или физико-химических свойств смеси компонента с газом-носителем в электрический сигнал. • Сигнал детектора, преобразованный системой регистрации сигнала (5), записывается в виде хроматограммы.

Сорбционные процессы, лежащие в основе газовой хроматографии • Наличие как минимум двух фаз и их относительное движение, то есть динамика процесса, - неотъемлемые признаки хроматографии. • Поскольку хроматографическое разделение происходит в процессе постоянного перераспределения компонентов между неподвижной и перемещающейся фазами, взаимодействие веществ с сорбентом должно быть обратимым, то есть обеспечиваться слабыми (в условиях опыта) межмолекулярными взаимодействиями. • К таким взаимодействиям прежде всего относятся дисперсионные, дипольные, ионные.

Напротив, необратимая сорбция компонентов (хемосорбция) для хроматографического разделения принципиально непригодна.

• При наличии двух одновременных процессов - взаимного перемещения фаз и перераспределения компонентов между фазами - принципиально важным становится соотношение их скоростей. • Если второй процесс осуществляется много быстрее первого, межфазное распределение компонентов успевает достичь равновесного. • В этом случае имеют дело с равновесной хроматографией, где конечный эффект разделения компонентов определяется термодинамикой системы, то есть коэффициентами межфазного распределения соединений.

• Если межфазное распределение компонентов за время их переноса подвижной фазой вдоль неподвижной фазы установиться не успевает, имеют дело с неравновесной хроматографией. • Конечный эффект разделения здесь определяется кинетикой диффузионных процессов.

Теория хроматографической колонки • Под колонкой подразумевается сосуд, длина которого больше диаметра. • Для газовой хроматографии обычно используют Uобразные или спиральные колонки. Внутренний диаметр колонок — 2 -15 мм, а длина — 1 -20 м. Материалом для изготовления колонок служит стекло, нержавеющая сталь, медь, иногда фторопласт. • В последнее время наибольшее распространение получили капиллярные колонки изготовленные из плавленного кварца, с нанесенной внутри неподвижной фазой. Длина подобных колонок может достигать сотен и даже тысяч метров, хотя чаще используются колонки длиной 30 -50 м.

• Крайне важно плотное наполнение колонок неподвижной фазой, а также обеспечение постоянства температуры колонки в течение всего процесса хроматографирования. • Точность поддержания температуры должна составлять 0, 05 -1 °С. Для точного регулирования и поддержания температуры используют термостаты.

Блок подготовки газов • Блок подготовки газов предназначен для установки, стабилизации и измерения потоков газа-носителя и дополнительных газов, питающих детекторы, а также для очистки газов. • Особенно важное значение имеют установка и стабилизация оптимального для данного анализа расхода газа-носителя, оказывающего непосредственное влияние на параметры удерживания и размеры пиков анализируемых веществ. • Установка и стабилизация газовых потоков осуществляется с помощью электронных регуляторов расхода газа.

• При выборе газа-носителя следует учитывать, что природа газа-носителя оказывает влияние как на характеристики разделения компонентов анализируемой смеси в хроматографической колонке, так и на параметры работы детектора. В этой связи не всегда оптимальный для данного детектора газ-носитель является наилучшим с точки зрения обеспечения высокоэффективного разделения веществ анализируемой смеси, и наоборот. Исходя из этого, определены следующие основные требования, предъявляемые к газу-носителю:

• газ-носитель должен способствовать обеспечению оптимального разделения компонентов смеси; • газ-носитель должен обеспечить максимально высокую чувствительность детектора; • газ-носитель должен характеризоваться химической инертностью по отношению к компонентам разделяемой смеси, наполнителю хроматографической колонки, материалу, из которого изготовлена колонка и газовые магистрали (например, при использовании водорода возможно гидрирование ненасыщенных соединений); • газ-носитель должен иметь достаточно высокую степень чистоты (99, 9 - 99, 99 % основного компонента); • газ-носитель должен значительно слабее удерживаться неподвижной фазой по сравнению с любым из разделяемых компонентов, поскольку только в этом случае выполняются условия элюентного анализа; • газ-носитель должен иметь небольшую вязкость для поддержания минимального перепада давления в колонке, минимального значения разности давлений газа-носителя на входе в колонку и на выходе из нее; • газ-носитель должен обеспечивать оптимальное значение коэффициентов диффузии разделяемых компонентов, способствующее минимальному размыванию полос; • газ-носитель должен быть взрывобезопасен; • газ-носитель должен иметь низкую стоимость.

Основные характеристики газов-носителей Газ-носитель Преимущества Недостатки азот доступность; простота очистки; низкая стоимость; безопасность в работе. низкая теплопроводность, близкая к легким углеводородам, обуславливающая низкую чувствительность детектора по теплопроводности. водород высокая теплопроводность (обеспечивает высокую чувствительность детектора по теплопроводности); легко получается в чистом виде электролизом. взрывоопасность при утечке. гелий теплопроводность близкая к водороду; безопасность в работе. высокая стоимость, обусловленная трудностями получения и очистки. аргон доступность, низкая углекислый газ доступность, низкая стоимость. теплопроводность. низкая теплопроводность.

Чистота газов особенно важна при работе с высокочувствительными детекторами (электронозахватным, аргоновым, гелиевым, массспектрометрическим), где примеси в газе-носителе могут являться причиной высокого фонового сигнала и как следствие низкой чувствительности детектора.

Устройство дозирования • Для дозирования газообразных смесей используют краны-дозаторы, позволяющие вводить в хроматографическую колонку определенный объём пробы. Конструкция кранов-дозаторов предусматривает использование сменных дозирующих петель объёмом от 0, 01 до 10 мл.

краны-дозаторы, позволяющие вводить в хроматографическую колонку определенный объем пробы. Конструкция крановдозаторов предусматривает использование сменных дозирующих петель объемом от 0, 01 до 10 мл. Существуют различные микрошприцы

Детекторы • Детекторы предназначены для непрерывного измерения концентрации веществ на выходе из хроматографической колонки. • Принцип действия детектора должен быть основан на измерении такого свойства аналитического компонента, которым не обладает подвижная фаза.

В газовой хроматографии используют следующие виды детекторов: • пламенно-ионизационный детектор • детектор по теплопроводности (катарометр) • • • детектор электронного захвата пламенно-фотометрический детектор термоионный детектор фотоионизационный детектор масс-спектрометр ИК-фурье спектрометр

Колонка, содержащая сорбент, выполняет функцию разделения анализируемой смеси на составные компоненты, а детектор - функцию их количественного определения. Детектор, расположенный на выходе из колонки, автоматически непрерывно определяет концентрацию разделяемых соединений в потоке подвижной фазы.

• После ввода анализируемой смеси с потоком подвижной фазы в колонку зоны всех веществ расположены в начале хроматографической колонки. • Под действием потока подвижной фазы компоненты смеси начинают перемещаться вдоль колонки с различными скоростями, • величины которых обратно пропорциональны коэффициентам распределения К (или константам распределения) хроматографируемых компонентов.

Сигнал детектора, величина которого пропорциональна концентрации определяемого вещества в потоке элюента, автоматически непрерывно записывается и регистрируется (например, на диаграммной ленте). Полученная хроматограмма отражает расположение хроматографических зон на слое сорбента или в потоке подвижной фазы во времени.

Применение качественного и количественного газохроматографического анализа • Диапазон применения хроматографических методов огромен: от анализа атмосферы планет Солнечной системы до полного анализа содержимого одной живой клетки.

• Исключительную роль хроматография играет в химической, нефтехимической, газовой, пищевой, целлюлознобумажной и многих других отраслях промышленности, прежде всего в технологическом контроле и поддержании оптимального режима производства, в контроле исходного сырья и качества готовой продукции, анализе газовых и водных сбросов производства.

Тысячи газовых, жидкостных и ионных хроматографов эксплуатируются в лабораториях Госсанэпиднадзора, экологических центрах, токсикологических лабораториях, в учреждениях Водоканала, в лабораториях Госкомгидромета, в ветеринарных лабораториях, на станциях защиты растений, в лабораториях судебной и судебно-медицинской экспертизы (табл. ).

• В биотехнологии хроматография является основным процессом выделения вирусов гриппа, энцефалита, бешенства и ящура, очистки вакцин, промышленного производства инсулина, других белков и полипептидов.

• Велико значение хроматографических методов в геологоразведке, в частности, в поиске газоносных и нефтеносных регионов как на суше, так и в морях, месторождений полезных ископаемых. Все чаще используется хроматография в энергетике для анализов воды на ТЭЦ и АЭС, для определения теплотворной способности природного газа. • И наконец, хроматография находит применение в археологии и в искусстве при изучении старых красок, лаков, покрытий, бальзамов.

Хроматографические методы незаменимы в контроле качества пищевых продуктов. • Пищевую ценность продуктов определяют, анализируя аминокислотный состав белков, изомерный состав жирных кислот и глицеридов в жирах, углеводы, органические кислоты и витамины. В последние годы многие из этих анализов выполняются с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии.

• В пищевых продуктах методами хроматографии можно обнаружить такие загрязняющие вещества, как пестициды, нитрозамины, микотоксины (афлатоксины, охратоксин А, зеараленон и др. ), полиядерные ароматические соединения, биогенные амины, нитраты и др. • Загрязнение пищевых продуктов возможно и вследствие проникновения вредных веществ из материалов упаковки, в частности, хлористого винила, бензола, пластификаторов и др.

В мясных продуктах определяют анаболитические стероиды, гормоны и другие типы фармацевтических препаратов, злоупотребление которыми характерно для интенсивного животноводства. Отдельная область применения газовой хроматографии - анализ состава аромата пищевых продуктов. Обнаружены тысячи летучих компонентов, из которых лишь несколько десятков определяют характер запаха, остальные придают запаху и вкусу продукта индивидуальность.

• Газохроматографическому анализу подвергаются вина, коньяки и другая спиртосодержащая продукция. • В 1997 г. в России вышел ГОСТ по определению методом газовой хроматографии микропримесей в водке и пищевом этиловом спирте.

Аналитический контроль важен при расследовании таких частых преступлений, как употребление наркотиков и спиртных напитков, неумышленные и умышленные отравления, злоупотребления лекарствами, а также при убийствах, пожарах, кражах, взрывах, авариях. • Составлены обширные базы данных газохроматографических индексов удерживания и масс-спектров токсикологически значимых веществ, лекарств, ядов, пестицидов, загрязнителей и их метаболитов.

В судебной экспертизе методом хроматографии анализируют нефтепродукты и горюче-смазочные материалы, использованные в случае поджогов, выявляют факты подделок и фальсификаций горюче -смазочных материалов. • Анализируют также лакокрасочные материалы и покрытия, в том числе частицы окраски автомобилей, красящие компоненты чернил для идентификации письменных материалов или определения давности документов, древесину, взрывчатые вещества, продукты взрывов и выстрела. Сотни работ опубликованы по хроматографическим анализам биологических объектов для судебной экспертизы, в частности, крови, сыворотки, мочи, слюны, пота, выдыхаемого воздуха, волос человека, образцов ткани и др.

• Столь широкое использование методов хроматографии в контроле пищевых продуктов, промышленных процессов, мониторинге загрязнений окружающей среды, в медицине и других жизненно важных областях были бы невозможны без массового выпуска современных хроматографов.

• Хроматографическое приборостроение сконцентрировало в себе последние достижения микроэлектроники, пневматики, теплотехники, оптики, высокоточной механики, автоматики, микропроцессорного управления и компьютерной обработки данных. • Высокий спрос на хроматографическую аппаратуру позволил фирмам-производителям вкладывать большие средства в непрерывное совершенствование хроматографов. • Современная хроматография - это и мощная отрасль промышленного производства. Сотни фирм во всем мире выпускают хроматографическую аппаратуру и вспомогательное оборудование на сумму более 5 млрд. долл. ежегодно.

• Разработка селективных сенсоров, совершенствование метода прямого инжекционного анализа, а также компьютерная поддержка таких точных методов измерения, как ЯМР и массспектрометрия, могут привести к автоматизации массовых рутинных анализов, однако приоритет в прямом разделении сложных смесей и получении высокочистых компонентов надолго останется за хроматографией.