Комплексные методы

Самостоятельным направлением следует считать развитие ком­плексных методов, в которых газовая хроматография комбини­руется с различными химическими и физическими способами ис­следования. Один из таких комплексных методов— реакционная газовая хроматография, сочетающая в единой схеме анализа хи­мические превращения анализируемых веществ и газовую хро­матографию. Это, например, превращение неустойчивых анали­зируемых веществ в более устойчивые с их последующим анали­зом, это — проведение химических реакций с выделеннымииз хроматографической колонки индивидуальными веществами для их идентификации. Интересен способ анализа, названный методикой удаления. Если перед колонкой (или после нее) поставить небольшую трубку с реактивом, который взаимодействует с веществами опреде­ленного класса, или с адсорбентом, который их сильно удержи­вает, то можно получить две хроматограммы для одной и той же пробы: первую — при работе на одной хроматографической ко­лонке, вторую —при подсоединении к ней трубки. При этом на второй хроматограмме будут отсутствовать пики веществ со­ответствующего класса, поглощенные адсорбентом, исполь­зуемым в трубке. Таким образом, по различию хроматограмм можно определить эти вещества. Например, зная, что молеку­лярные сита очень сильно адсорбируют нормальные парафины, можно, используя этот метод, определить содержание нор­мальных парафинов в различных нефтепродуктах.

Получила распространение и пиролитическая хроматогра­фия. Этот метод состоит в пиролизе полимеров или других высо­комолекулярных соединений и последующего хроматографического анализа получаемых осколков. В литературе имеются альбомы пиролитических спектров; по их виду, как по отпечат­кам пальцев, можно определить структуру исследуемого полиме­ра.

К числу комплексных методов относится также сочетание га­зовой хроматографии и масс-спектрометрии. В хромато-масс-спектрометре каждое вещество, выходящее из хроматографиче­ской колонки (обычно капиллярной), поступает в приемник спектрометра. По полученному масс-спектру можно быстро идентифицировать вещество. Такие системы очень эффективны при проведении качественного анализа неизвестных смесей, од­нако приборы очень дороги и, к сожалению, не всегда надежны в эксплуатации. Кроме того, чувствительность масс-спектроме­тра может оказаться недостаточной для обнаружения примесей.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИДЕНТИФИКАЦИИ

Чисто хромат ^графические методы идентификации не связаны с применением комплексных методов, они основаны лишь на определении удерживания. В предыдущей главе уже говорилось о специфичности таких величин, как время удерживания, относи-

тельное удерживание, связи этих величин с сорбционными свойствами неподвижной фа­зы и анализируемого вещест­ва. В идеальном случае иден­тификация проводится сле­дующим образом. В резуль­тате анализа смеси получена хроматограмма, состоящая из п пиков, причем заранее известно, что каждый пик отвечает ин­дивидуальному компоненту, а не смеси нескольких. Кроме того, в распоряжении исследователя имеются эталоны всех соедине­ний, присутствие которых возможно в исследуемом продукте. Тогда, сравнивая времена удерживания компонентов смеси и эта­лонов (либо добавляя каждый из эталонов в смесь и отмечая уве­личение высоты какого-либо пика), можно сделать заключение о качественном составе смеси.

Естественно, что подобные идеальные случаи встречаются крайне редко. Обычно возникает по крайней мере одно из сле­дующих затруднений: неизвестно, разделяется ли смесь на инди­видуальные компоненты при данных условиях анализа; невоз­можно даже предположить заранее, какие вещества присут­ствуют в смеси; отсутствуют необходимые эталоны; времена удерживания некоторых эталонов совпадают и т. д. Все это гово­рится с той целью, чтобы было ясно: широкие возможности газо­вой хроматографии как метода качественного анализа не предус­матривают использование каких-либо методических шаблонов, наоборот, каждая конкретная задача требует от исследователя квалифицированного подхода в соответствии с ее спецификой, требует определенного искусства.

В арсенале специалиста, занимающегося расшифровкой со­става неизвестных смесей, таблицы величин удерживания ве­ществ различных классов и разнообразные закономерности, связывающие удерживание со строением молекул и физико-хи­мическими свойствами сорбатов. Так, наиболее простой законо­мерностью является связь логарифма относительного удержива­ния (1§ г) с числом (х) углеродных атомов в молекуле. Такая связь в пределах гомологического ряда считается (с определенной по­грешностью) линейной, поэтому, зная удерживание некоторых гомологов, можно оценить удерживание других членов этого го­мологического ряда. Кстати, на основе подобной зависимости в 1958 г. Ковач разработал метод оценки удерживания нор­мальных парафинов с помощью логарифмического индекса удер­живания. Эта величина характеризует положение пика исследуе­мого вещества на хроматограмме относительно пиков двух нормальных парафинов с числом углеродных атомов в молеку­лах z и z + 1:

(вместо приведенных времен удерживания t _R -t ₀ можно исполь­зовать относительное удерживание r).

Графический метод определения заключается в следующем. Если относительное удерживание сорбата равно r_с,то из соответ­ствующей точки на оси ординат проводят горизонтальную ли­нию до пересечения с прямой. Абсцисса точки пересечения отве­чает деленному на 100 индексу удерживания сорбата. Другими словами, индекс удерживания — это умноженное на 100 число углеродных атомов в молекуле гипотетического нормального парафина (с дробным r), который имеет такое же время удержи­вания, что и исследуемый сорбат.

За короткое время индекс удерживания стал наиболее попу­лярной формой представления хроматографических данных. Для идентификации широко используются, например, зависимости между индексом удерживания и температурой кипения анализи­руемых веществ. Зная индекс удерживания неизвестного соедине­ния, по графику можно определить его температуру кипения, которая послужит основой для идентификации.

Применяются также графики, связывающие параметры удерживания, которые получены на колонках с двумя разными неподвижными фазами (неполярной и полярной). Пользуясь такими графиками, можно определить, например, число двойных связей в молекулах и т.д. Наряду с логарифмическим индексом удерживания приме­няют линейный индекс удерживания, предложенный автором в 1968 г. Он определяется как

Линейный индекс удерживания можно определить непосред­ственно из хроматограммы как отношение отрезков а и b (далее к этой величине прибавляют значение z).

В зависимости от специфики объекта и условий проведения хроматографического процесса точность определения удерживания может быть различной. Обычно погрешность определения логарифмического индекса удерживания составляет 1—2 еди­ницы (соответственно погрешность определения линейного ин­декса 0,01—0,02). Иначе говоря, можно различать 50—100 соеди­нений, пики которых записываются между пиками двух соседних нормальных парафинов.

В настоящее время развивается направление, называемое пре­цизионной газовой хроматографией: путем тщательного поддер­жания постоянства температуры колонки и расхода газа-носите­ля и достижения высокой эффективности разделения погреш­ность определения логарифмического индекса удерживания уменьшилась до сотых долей единицы.

В тех случаях, когда, несмотря на высокую эффективность ко­лонки, все индивидуальные компоненты смеси разделить невоз­можно, применяют различные многоступенчатые схемы. После выхода из колонки, содержащей, например, неполярную непо­движную фазу, полученную узкую фракцию переводят во вторую колонку с полярной фазой, что обеспечивает дальнейшее разде­ление смеси.

Говоря о хроматографической идентификации, нельзя не упо­мянуть и об использовании газовой хроматографии для элемент­ного анализа. Химики, занимающиеся исследованием элементно­го состава органических веществ (определением содержания углерода, водорода, азота и других элементов), знают, сколько старания нужно приложить, чтобы провести хотя бы один ана­лиз, и сколько времени на него затрачивается. Газовая хромато­графия и здесь сыграла поистине революционную роль. Начиная с 1960 г., проведена серия исследований и разработаны приборы, которые позволяют сократить время определения до нескольких минут без ущерба для точности. Исследуемое вещество сжигают, а в некоторых случаях подвергают дополнительным превраще­ниям, образовавшиеся продукты разделяют в колонке. На хроматограмме записываются пики, площадь которых соответ­ствует количеству углерода, водорода, азота, серы, а иногда и кислорода в пробе. В последнее время разрабатываются и предлагаются методы определения таких элементов, как гало­гены и фосфор.

Если исследуемое вещество — смесь, то можно использовать схему, которая включает последовательно располагаемые хроматографическую колонку, печь для сжигания, вторую колонку и детектор. При этом в печь компоненты пробы попадают пооче­редно и на результирующей хроматограмме каждому компонен­ту соответствуют два последовательных пика: «углеродный» и «водородный». Одно из преимуществ хроматографического элементного анализа заключается в том, что для его проведения требуется очень небольшая проба (порядка микрограммов).

Идентификация нелетучих соединений, как мы уже знаем, мо­жет проводиться с помощью пиролитической газовой хромато­графии. Однако имеется и другой, чисто хроматографический метод идентификации, заключающийся в том, что исследуемое вещество используют в качестве неподвижной жидкости, а сорбатами служат эталонные соединения, вступающие с неподвижной фазой в различные типы межмолекулярных взаимодействий. В результате получают хроматографический спектр, по характе­ру которого судят о структуре молекул исследуемого вещества. Такой метод называется обращенной газовой хроматографией

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Хроматография — совсем молодая наука, но за 70 с небольшим лет своего существования она прошла такой путь, какой другие дисциплины проходят за столетия: в этом, смысле хроматогра­фия—это истинное дитя бурного двадцатого века. Что же ка­сается газовой хроматографии, то ей менее 40 лет. Просматривая свежие номера журналов, мы можем среди авторов публикаций найти имена тех ученых, которые считаются «основоположника­ми» и «классиками» этой области науки. И все же мы вправе го­ворить об истории газовой хроматографии. Она неизменно ли­дирует среди хроматографических и вообще аналитических методов исследования и своими успехами способствует разви­тию других методов, других научных дисциплин. Сюда нужно отнести и эмоциональный элемент, который сделал хроматогра­фию еще со времени Цвета «очаровательным» методом, и это очарование не потускнело и по сей день. Считать хроматогра­фию, а газовую хроматографию в особенности—не только на­укой, но и искусством значит несильно погрешить против ис­тины.

Хроматографический метод стал настолько популярен, что уже давно перешагнул за пределы химической, аналитической и научно-исследовательской лаборатории. Теперь трудно пред­ставить себе современную медицинскую и биологическую анали­тическую лабораторию без хроматографа. Хроматограф стал все чаще появляться в цехах химических, биохимических, пищевых, парфюмерных, фармацевтических и других производств для кон­троля процесса и его регулировки.

Уже давно налажено серийное производство хроматографов.

Лабораторные хроматографы начали выпускать еще в 1955г. В 1958г. был выпущен первый отечественный хроматограф ХТ-2М, его достоинством была возможность программирования температуры, что позволило, несмотря на естественное для того времени несовершенство конструкции, считать прибор универ­сальным, пригодным (после соответствующих модификаций) для анализа смесей как газов, так и жидкостей. В это же время по­явился прибор ХЛ-2, в котором детектором служил азотометр.

Следующим этапом была разработка хроматографов с высо­кочувствительными детекторами ионизационного типа и капил­лярными колонками (наряду с насадочными колонками и катарометрами). Далее последовало оснащение приборов се­лективными детекторами и различными приставками (пиролитической ячейкой, ловушками для концентрирования примесей и для улавливания разделенных компонентов и т.д.), атакже си­стемами обработки информации.

Современный хроматограф состоит из ряда блоков (термо­стат, различные детекторы и т.д.), которые могут собираться в разнообразные схемы в зависимости от конкретной задачи. Счетно-решающие устройства, соединенные с одним или одно­временно с рядом хроматографов, перерабатывают получаемую информацию и выдают ее в вид наименований компонентов, их величин удерживания и процентного содержания в анализируе­мой смеси.

Одна из серий отечественных хроматографов носит название «Цвет». В частности, к столетию со дня рождения основополож­ника хроматографии были выпущены приборы «Цвет-100».

Наряду с аналитическими и препаративными хроматографа­ми выпускаются и серийные промышленные приборы, непосред­ственно связанные с технологическим оборудованием на предприятиях. Промышленный хроматограф может либо просто регистрировать состав анализируемого потока, либо нести упра­вляющие функции: подавать сигналы на регуляторы или на счет­но-решающее устройство, управляющее процессом. Один из на­иболее популярных в нашей стране промышленных хроматогра­фов— ХП-499, с целью ускорения анализа в нем использована многоколоночная схема, позволяющая регистрировать на хроматограмме пики лишь наиболее важных, целевых компонентов, остальные же вещества быстро удаляются из колонки в обрат­ном направлении. Применение промышленных хроматографов позволяет резко улучшить качество получаемой продукции и высвобождает лабо­рантов, проводивших ранее кропотливую работу в аналитических лабораториях. Имеются сведения о том, что на нефтехими­ческих предприятиях стоимость промышленного хроматографа окупается за неделю его эксплуатации.

Общее количество хроматографов, которые используются в аналитической практике, очень велико. Только в нашей стране это количество ежегодно увеличивается на 2 — 3 тысячи. И все же потребность в хроматографах удовлетворяется менее чем наполовину.

Непрерывно растет производительность препаративных хро­матографов и препаративных установок. Имеются установки не­прерывного действия, служащие для очистки лекарственных пре­паратов и продуктов парфюмерной промышленности. Использо­вание таких установок—промежуточный этап развития газовой хроматографии от аналитического метода, оперирующего с мил­лиграммами и граммами вещества, к технологическому методу, пригодному для многотоннажных промышленных процессов.

Золотой век хроматографии продолжается, и еще долгое вре­мя она будет обогащать наши знания об окружающем мире, слу­жить прогрессу человечества.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Цвет М. С. Хроматографический адсорбцион­ный анализ. М., Изд-во АН СССР. 1946. 273 с, ил.

Сакодынский К. И. Михаил Семенович Цвет и хроматография. Рига, 1972. 72 с, ил.

Сенченкова Е. М. Михаил Семенович Цвет. М., Наука, 1973. 308 с, ил.

Чмутов К. В. Хроматография. М., Химия, 1978. 128 с, ил.

Гольберт К. А., Вигдергауз М. С. Курс газовой хроматографии. М., Химия, 1974, 375 с, ил.

Киселев А. В., Яшин Я. И. Адсорбционная газо­вая и жидкостная хроматография. М., Химия. 1979. 288 с, ил.

Яшин Я. И. Физико-химические основы хроматографического разделения. М., Химия, 1976, 216 с, ил.

Сакодынский К. И., Волков С. А. Препара­тивная газовая хроматография. М., Химия, 1972. 206 с, ил.

Дата добавления: 2015-07-21