По агрегатному состоянию фаз

Классификация хроматографических методов

Всем хроматографическим методам присущи некоторые общие характеристики, позволяющие изложить элементы их обобщенной теории. Однако необходимо рассмотреть специфические особенности различных вариантов хроматографического фракционирования. Это, с одной стороны, позволит за теоретическими рассуждениями все время видеть реальные черты хроматографического эксперимента, а с другой — даст возможность ввести классификацию хроматографических методов. Существует несколько классификаций методов хроматографии: по принципу фракционирования; по способу элюции и т.д.

Классификация по агрегатному составу фаз

Данная классификация основана на различиях в агрегатных состояниях применяемых в хроматографии подвижных и неподвижных фаз. В данной классификации все виды подразделяются на 3 основных вида по агрегатному состоянию используемой подвижной фазы: газовая (ГХ, GH), жидкостная (ЖХ, LH) и сверхкритическая флюидная хроматография (подвижная фаза - полярный газ (СО₂, NH₃ и т.д.) сжатый до жидкого состояния) - что совершенно естественно, т.к. именно подвижная фаза растворяя в себе пробу определяет спектр разделяемых и анализируемых веществ. Совершенно логичным следующим уровнем классификации является классификация по агрегатному состоянию используемой неподвижной фазы, отвечающей за взаимодействие и разделение веществ.

По агрегатному состоянию фаз

· Газовая хроматография

· Газо-жидкостная хроматография

· Газо-твёрдофазная хроматография

· Жидкостная хроматография

· Жидкостно-жидкостная хроматография

· Жидкостно-твёрдофазная хроматография

· Жидкостно-гелевая хроматография

· Сверхкритическая флюидная 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 газо-жидкостную 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.

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 анализа органических соединений.

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.

Газо-твёрдофазная хроматография — это метод разделения летучих компонентов. При котором подвижной фазой (элюентом) служит поток инертного газа-носителя (водород, гелий, азот, аргон, углекислый газ), а неподвижной — частицы твёрдого тела (адсорбенты с высокой удельной поверхностью — активные угли, силикагели, пористое стекло, оксид алюминия). Газ-носитель не реагирует с неподвижной фазой и разделяемыми веществами. Распределение веществ между неподвижной и подвижной фазами определяется процессом адсорбции.

Применяется для анализа и препаративного разделения газовых и жидких смесей, а также летучих твёрдых тел при проведении физико-химических исследований. Для проведения анализа жидкости и твёрдые вещества переводят в парообразное состояние. В случае анализа твёрдых нелетучих или термически нестабильных веществ анализируют газообразные продукты их термического распада (пиролитическая хроматография) или летучие и термически стабильные производные (реакционная хроматография).

Жидкостная хроматография — это хроматография, в которой подвижной фазой является жидкость.

Жидкостная хроматография разделяется на жидкостно-адсорбционную (разделение соединений происходит за счет их различной способности адсорбироваться и десорбироваться с поверхности адсорбента), жидкостно-жидкостную, или распределительную (разделение осуществляется за счет различной растворимости в подвижной фазе - элюенте и неподвижной фазе, физически сорбированной или химически привитой к поверхности твердого адсорбента), ионообменную хроматографию, где разделение достигается за счет обратимого взаимодействия анализируемых ионизирующихся веществ с ионными группами сорбента - ионита. Особое место в использовании методов жидкостной хроматографии занимают эксклюзионная, или гель-хроматография и аффинная, или биоспецифическая.

Жидкостно-жидкостная хроматография (ЖЖХ), представляющая собой разновидность распределительной хроматографии или растворной хроматографии. Образец распределяется между подвижной жидкостью, обычно водой, и неподвижной жидкостью, обычно органическим растворителем. Подвижная жидкость не должна растворять неподвижную жидкость.

Сверхкритическим флюидом (СКФ) — называют состояние вещества, при котором исчезает различие между жидкой и газовой фазой. Любое вещество, находящееся при температуре и давлении выше критической точки является сверхкритическим флюидом. Свойства вещества в сверхкритическом состоянии промежуточные между его свойствами в газовой и жидкой фазе. Так, СКФ обладает высокой плотностью, близкой к жидкости, и низкой вязкостью, как и газы. Коэффициент диффузии при этом имеет промежуточное между жидкостью и газом значение. Вещества в сверхкритическом состоянии могут применяться в качестве заменителей органических растворителей в лабораторных и промышленных процессах. Наибольший интерес и распространение в связи с определенными свойствами получили сверхкритическая вода и сверхкритический диоксид углерода.

Сверхкритическая флюидная хроматография имеет ряд преимуществ перед жидкостной хроматографией и газовой хроматографией. В ней возможно применение универсальных ПИД-детекторов (в отличие от ЖХ), разделение термически нестабильных веществ и нелетучих веществ (в отличие от ГХ). На данный момент, несмотря на все преимущества, не нашла широкого применения (за исключением некоторых особых областей, таких как разделение энантиомеров и высокомолекулярных углеводородов). Несмотря на высокую чистоту получаемых соединений, высокая стоимость оборудования делает современного СКФ хроматографию применимой только в случае очистки или выделения дорогих веществ. Очень перспективна и активно внедряется СКФ хроматография, например, в медицине.

По механизмам разделения, т.е. по характеру взаимодействия между сорбентом и сорбатом. По этой классификации хроматографию подразделяют на следующие виды:

1). адсорбционная хроматография – разделение основано на различии в адсорбируемости разделяемых веществ твердым адсорбентом;

2). распределительная хроматография – разделение основано на различии в растворимости разделяемых веществ в неподвижной фазе (газовая хроматография) и на различии в растворимости разделяемых веществ в подвижной и неподвижной жидких фазах;

3). ионообменная хроматография – разделение основано на различии в способности разделяемых веществ к ионному обмену;

4). проникающая хроматография – разделение основано на различии в размерах или формах молекул разделяемых веществ, например, при применении молекулярных сит (цеолитов);

5). осадочная хроматография – разделение основано на образовании различных по растворимости осадков разделяемых веществ с сорбентом;

6). адсорбционно-комплексообразовательная хроматография – разделение основано на образовании координационных соединений различной прочности в фазе или на поверхности адсорбента.

Следует иметь в виду, что очень часто процесс разделения протекает по нескольким механизмам.

Разделение. Разделение смеси соед. - основная цель аналит. и препаративной хроматографии. Для характеристики разделения трудноразделимых (критических) пар соед. используют особую величину - степень разделения:

где - время удерживания j-гo компонента; - исправленное время удерживания j-гo компонента; и - ширина измеренная у основания пиков на хроматограмме,

Количественно зависимость степени разделения от параметров хроматографич. разделения отражает уравнение Пернелла:

где a_ij - селективность разделения i-го и j-гo компонентов; k_j - коэф. емкости (или коэф. извлечения) компонента j, причем Как следует из этого уравнения, степень разделения увеличивается с ростом эффективности колонки селективности (a_ij - 1) и емкости колонки k_j/(k_j + 1). Селективность разделения характеризуется величиной относит. удерживания r_ij:

где V_Rj и V_Ri - исправленный объем удерживания для j-гoи i-го компонентов; K_i и K_j - коэф. распределения в системе неподвижная фаза - подвижная фаза для i-го и j-гo компонента. Величины r_ij достаточно инвариантны; они не зависят от таких условий эксперимента, как скорость газа-носителя, кол-во сорбента, длина колонки и т. п.
Хроматография - один из основных методов количеств. анализа орг. и неорг. соединений. При постоянных условиях эксперимента величина сигнала детектора прямо пропорциональна концентрации i-го компонента в подвижной фазе, а площадь его пика на хроматограмме S_i - кол-ву анализируемого соединения. Долю i-го компонента в процентах в n-компонентной смеси рассчитывают по формуле:

где а_i и a_j - поправочные коэф., определяемые чувствительностью детектора к анализируемым веществам. Предел обнаружения при использовании высокочувствит. детекторов составляет 10^-10%, обычно погрешность определения 0,1-20%.
Недостаток хроматографич. методов - периодичность анализа (показания запаздывают на время, равное продолжительности разделения) - является существенным, в осн., для пром. хроматографии, которую используют для контроля и регулирования пром. многотоннажных процессов.
Аналит. хроматографию применяют в научных исследованиях, хим. и фармацевтич. промышленности, медицине, для контроля практически всех объектов окружающей среды, в газовой и нефтеперерабатывающей промышленности и т. д.

Жидкостная адсорбционная хроматография

В колоночной жидкостной хроматографии в качестве неподвижных фаз широкое распространение получили оксид алюминия и силикагель. Реже применяют синтетический силикат магния (флоризил), оксид магния, пористые стекла, пористые полимеры и неполярный адсорбент - активированный уголь. С появлением ВЭЖХ силикагель стал основной полярной неподвижной фазой. Таким образом, жидкостная адсорбционная хроматография (ЖАХ) на силикагеле - нормально-фазовая хроматография, в которой неподвижная фаза более полярна, чем подвижная. Для формирования ПФ в этом варианте хроматографии в качестве растворителей применяют неполярные алифатические углеводороды или дихлорметан, а в качестве модифицирующих добавок - спирты, простые ациклические и циклические эфиры, сложные эфиры, галогеналканы.

В настоящее время известно более ста сортов (различных модификаций) силикагеля, а так же ряд силикагелей с химически модифицированной поверхностью, однако выбор элюента в ЖАХ играет более значимую роль, чем выбор неподвижной фазы. Меняя природу ПФ, можно в широких пределах изменять объемы удерживания и селективность разделения на одних и тех же адсорбентах.

Силикагель SiO₂· х Н₂0 имеет аморфную структуру, его внутренняя поверхность энергетически неоднородна из-за наличия нескольких типов беспорядочно распределенных силанольных ОН-групп. Кроме ОН-групп в адсорбционных процессах участвуют и поверхностные силоксановые группы ≡Si-O-Si≡. Присутствующая в силикагеле вода удерживается в нем в результате взаимодействия с поверхностными силанольными группами и за счет капиллярной конденсации.

а) свободная ОН-группа
б) связанная ОН-группа
в) геминальная ОН-группа
г) реакционноспособная ОН-группа.

В целом наблюдаются следующие закономерности.
Удерживание возрастает:
а) с увеличением полярности сорбата;
б) с уменьшением числа атомов углерода в его молекуле;
в) по мере уплощения молекулы и при увеличении числа π -электронов (для полиядерных соединений).
Удерживание уменьшается:
а) с увеличением степени экранирования полярных групп сорбата орто -заместителями;
б) при увеличении полярности подвижной фазы;
в) по мере дегидроксилирования поверхности адсорбента.

Полярность сорбата определяется числом и характером полярных функциональных групп. Ниже приведены ряды функциональных групп органических веществ, расположенных в порядке возрастания адсорбируемости на силикагеле:

-СН₂- < -СН₃ < -СН=СН- < -S-R < -O-R < NO₂ < -NH-(карбазол) < -C(0)OR < -С(0)Н < -C(0)R < -ОН < -NH₂ < -С(0)ОН

F- < Сl- < Br- < I- < -OR < -NR₂ < -N0₂ < -C(0)OR < -C(0)R <-C(0)H < -NH₂ < -NH-C(0)R < -OH < -C(0)OH < -SO₃H

Уже некоторые несоответствия в двух приведенных выше эмпирических рядах показывают, что они носят приблизительный характер, поскольку существуют различия между алифатическими и ароматическими соединениями, имеет место влияние дипольного момента и поляризуемости молекулы, стерический факторы, кислотность адсорбента, полярность и селективность подвижной фазы.

ЖАХ на силикагеле обеспечивает наибольшую селективность при разделении соединений, имеющих различные функциональные группы и различное число таких групп. В тоже время разделение веществ гомологов и вообще веществ по молекулярной массе в силу специфического механизма удерживания в этом варианте хроматографии не эффективно. Разделение членов гомологического ряда достигается только для первых членов и быстро падает с ростом числа метиленовых групп. Ограничением метода является растворимость сорбатов, они должны удовлетворительно растворяться в органических растворителях. Хроматографическая система в ЖАХ очень чувствительна к влаге, медленно стабилизируется, поэтому градиентная хроматография на силикагеле имеет плохую воспроизводимость параметров удерживания и не целесообразна для рутинных анализов.

Химическая неоднородность и каталитическая активность поверхности Аl₂О₃ выше, чем силикагеля. Оксид алюминия может вызывать разложение компонентов пробы или их необратимую сорбцию. Необратимо сорбирующиеся вещества, накапливаясь на начальном участке колонки, могут привести к повышению сопротивления колонки или даже к полной ее забивке. Последний недостаток может быть устранен путем использования предколонки, которая по мере повышения сопротивления заменяется на новую или перезаполняется новым сорбентом. Однако необратимая сорбция или реакции на сорбенте приводят к получению хроматограмм, на которых полностью или частично отсутствуют чувствительные к сорбции или каталитическому разложению компоненты пробы.

Поиск по сайту: