Хроматографічні методи аналізу: переваги і недоліки

Хроматографічний аналіз сьогодні є найбільш широко застосовуваним методом дослідження різних об'єктів. Це можуть бути проби, взяті в навколишньому середовищі, на виробництві, в лабораторії і так далі. Цей метод запропонував ще в 1903 році російський вчений М. С. Колір. Його дослідження стали основою для розвитку всіх видів хроматографії, існуючих на сьогоднішній день і застосовуються для розділення не тільки забарвлених, але і нефарбованих сполук у всіляких середовищах. Проведення хроматографічного аналізу можливо різними способами, з використанням у кожному конкретному випадку своїх прийомів і методик розрахунків. В його основі лежать відмінності в адсорбційних або будь-яких інших властивості сполук, що сприяє їх розподілу між твердим сорбентом і проходить через нього рідиною (або газом).

Основні поняття

Хроматографічним методом аналізу називають такий метод розділення і визначення речовин, який заснований на розподілі декількох компонентів зразка між двома фазами, одна з яких рухлива, а інша - нерухома. Нерухомої (стаціонарної) фазою зазвичай буває тверде пористу речовину (як правило, його називають сорбентом) або плівка рідини, яка нанесена на тверду речовину. Рухома фаза являє собою рідка або газоподібна речовина, що протікає крізь нерухому фазу, часом під тиском. Всі компоненти аналізованої суміші (звані сорбатами) разом з рухомою фазою рухаються вздовж стаціонарної фази. Як правило, її поміщають в скляну (металеву) трубку - колонку.

Швидкість руху компонентів по колонці залежить від ступеня їх взаємодії з поверхнею сорбенту. Це призводить до того, що одні компоненти залишаться у верхній частині колонки, розподілені в об'ємі сорбенту, інші в нижній, а деякі і зовсім не затримаються в ній і підуть з рухомою фазою.

Класифікація хроматографічних методів аналізу

Ці методи дослідження речовин настільки різноманітні, що не існує єдиної їх класифікації. Зазвичай їх поділяють за такими ознаками:

агрегатний стан сорбенту і рухомий фази;

механізм зв'язування речовини і сорбенту;

техніка проведення аналізу;

спосіб руху проби через колонку;

мета проведення аналізу.

За агрегатним станом фаз

За цією ознакою хроматографічні методи аналізу поділяють на:

газову хроматографію, якщо рухомий фазою є пара або газ;

рідинну хроматографію, коли рухома фаза знаходиться в рідкому стані.

Першу, як правило, використовують для розділення летючих термічно стійких сполук з молекулярною масою до 300. Друга годиться для розділення органічних і неорганічних компонентів, що мають молекулярну масу до 2000 навіть якщо вони термічно нестійкі.

По характеру взаємодії речовини з нерухомою фазою

За механізмом дії сорбенту з речовиною хроматографічні методи аналізу можуть бути:

адсорбційними, якщо поділ грунтується на відмінності в спорідненості компонентів зразка до поверхні адсорбенту;

розподільними, якщо поділ речовин засноване на відмінності їх розчинності у рухомій фазі і сорбенті;

іонообмінними, якщо поділ грунтується на відмінності в здібностях компонентів до здійснення іонного обміну;

проникаюча, якщо поділ речовин відбувається внаслідок відмінностей розмірів і форм молекул, а також зарядів.

Також хроматографічні методи аналізу класифікують за даним методом на осадові, окислювально-відновні, комплексообразовательные та інші.

З техніки експерименту

За способом оформлення процесу хроматографія буває:

колоночная, при якій поділ ведеться в колонках, заповнених сорбентом.

площинна, яка може здійснюватися на папері або на пластинах (тонкошарова хроматографія).

Також до цього переліку можна додати методи хроматографічного аналізу, що проводяться з допомогою капілярів. Внутрішній діаметр таких трубок становить не більше 1 мм В порівнянні з іншими різновидами хроматографії, ця дозволяє підвищити швидкість проведення аналізу і робить можливими дослідження з дорогими газами або сорбентами. Також малі розміри колонки дозволяють поєднувати таке дослідження з мас-спектрометрією. Однак істотним недоліком хроматографічного методу аналізу такого виду є складність введення проби в капіляр.

По руху речовини

Цей ознака прийнято називати також способом хроматографирования. Розрізняють:

Элюентную (проявительную) хроматографію. Найкраще підходить для вирішення аналітичних завдань. Полягає він у тому, що суміш речовин, що вводиться в безперервно рухається потік елюентів, сорбується краще рухомої фази. В ході просування елюентів на колонці з сорбованих компонентами вони починають переміщатися уздовж сорбенту з різною швидкістю і виходять з колонки окремими фракціями (зонами). Достоїнствами проявительного методу є більш повне розділення речовин, безперервна регенерація сорбенту і хороша відтворюваність параметрів утримування.

Вытеснительную хроматографію. Полягає вона в тому, що в рухому фазу вводять спільну пробу, а потім починають пропускати речовина-витискувач, що сорбційна здатність більше всіх інших. В ході його просування по колонці, він витісняє з сорбенту раніше сорбовані речовини в порядку збільшення їх сорбційної здатності.

Фронтальну хроматографію. В ході дослідження аналізована суміш також пропускається через шар сорбенту. А під час заповнення колонки компонентами вони поступово виходять в порядку підвищення їх здатності до сорбції.

З мети роботи

Класифікація хроматографічних методів аналізу залежно від мети проведення процесу виглядає наступним чином:

аналітична хроматографія - являє собою самостійний метод, що включає поділ зразка на компоненти, а також їх якісний і кількісний аналіз;

препаративна хроматографія - використовується виключно для розділення суміші речовин.

Переваги методу

Хроматографічний аналіз має наступні переваги перед іншими методами розділення і дослідження речовин:

Завдяки тому, що цей спосіб поділу має динамічний характер, що характеризується багаторазовим повторенням сорбції-десорбції, ефективність його значно вище, ніж у статичних сорбції або екстракції.

Використання різних типів взаємодії сорбатов та сорбентів (фізичних і хемосорбционных), дозволяє розширити коло речовин для селективного розділення.

Деякими методиками передбачено накладення гравітаційних, магнітних та інших полів на виділені речовини, що розширює можливості хроматографії шляхом зміни умов поділу компонентів.

Цей метод є гібридним, оскільки поєднує поділ та визначення відразу декількох компонентів.

Хроматографія робить можливим вирішення декількох завдань одночасно. Так аналітичні завдання включають поділ, ідентифікацію та визначення речовин, а препаративні - їх очищення, виділення і концентрування.

Можливості хроматографії

Високоефективна і высокоселективная препаративна хроматографія незамінна для розділення складних зразків, що містять велику кількість індивідуальних сполук з близькими фізико-хімічними параметрами (нафта, різні лікарські препарати, витяжки з рослин, біологічні рідини та інші). Так, для очищення хімічних речовин або виділення окремих сполук у препаративній хімії широко застосовуються газові методи хроматографічного аналізу. Для виділення іонів підходить іонообмінна хроматографія, заснована на відмінностях в здатності іонів з розчину до обмінних процесів з ионитом. Сучасні хроматографічні методи дозволяють визначати газоподібні, рідкі та тверді речовини. Підбір умов проведення аналізу орієнтується на природу і склад аналізованої проби. Газоадсорбционная і газорідинна хроматографія дозволяють досліджувати летючі речовини, стійкі до нагрівання. Так, газоадсорбционная хроматографія широко використовується для аналізу газових сумішей і низькокиплячих вуглеводнів, які не мають активних функціональних груп. Газорідинна хроматографія важлива в нафтохімії, аналізі пестицидів і добрив, лікарських препаратів.
Рідинний хроматографічний аналіз трансформаторного масла дозволяє своєчасно виявити дефекти або характер і ступінь пошкодження трансформатора. Його стан оцінюють шляхом зіставлення даних, отриманих в ході аналізу з допустимими значеннями, а також по швидкості зміни вмісту газів у маслі. Так, підвищений вміст СО і З 2 зазвичай сигналізує про порушення в целюлозної ізоляції. А от наявність фуранових похідних говорить про старіння паперової ізоляції. Таким чином, хроматографічний аналіз газів сприяє безпечній і тривалій роботі обладнання.

Газова хроматографія

Є однією з найбільш поширених різновидів методу, з-за того, що для нього розроблені різні методики з повним теоретичним обґрунтуванням, а також є надійне і відносно недороге апаратурне оформлення. Рухомий фазою (газом-носієм) є гази або їх суміші, а також речовини, що є газами при тих умовах, в яких проводиться аналіз. Нерухомою фазою є тверді сорбенти (газоадсорбционный метод) або рідина на поверхні інертного носія (газорідинної метод).

Для газової хроматографії можна додатково назвати ряд переваг:

високу швидкість процесу;

можливість аналізу микропроб;

автоматичне записування результатів при наявності відповідного обладнання;

можливість виокремлення компонентів не тільки в лабораторії, але й у промислових масштабах.

Паперова хроматографія

В якості нерухомої фази застосовують фільтрувальний або ж спеціальну хроматографічну папір. Остання являє собою целюлозна фільтрувальний папір особливої чистоти і з деякими спеціальними властивостями. Вона вбирає розчинник з різною швидкістю капілярного підйому, яка залежить від щільності паперу. Основним обладнанням є спеціальні камери або судини, лотки, розміщені на стійках, піпетки, пульверизатори, лампи для хроматограмм, вимірювальні пристрої, а ще планиметры і денситометры, що використовуються для кількісних визначень.
Цей метод найкраще підходить для аналізу різноманітних органічних речовин, що містять різні функціональні групи від спиртів до стероїдів, від амінів до індолів, від вітамінів до антибіотиків.

Іонообмінна хроматографія

Цей метод базується на обміні іонів між набряклим ионитом і рухомою фазою. Іонообмінне поділ суміші іонів характеризується розходженням їх зарядів та іонною силою розчину. В об'ємі зерен іоніту процес поділу також залежить від швидкості дифузії іонів, що визначається щільністю іоніту. Іоніти підбирають по параметру, званому спорідненістю, який пропорційний заряду іона і назад пропорційно радіусу гідратованого іону. Вибір іоніту ведуть, користуючись таблицями з наведеними характеристиками типів, що випускаються іонітів. Основні їх характеристики — розмір зерен і їх форма, обмінна ємність, кислотно-основні властивості, набухаемость, щільність. Поділ неорганічних речовин ведуть на неорганічних ионитах (цеоліти, гідроксиди алюмінію) або смолах (стирол з дивінілбензолу). Так, часто застосовується хроматографічний метод аналізу води на наявність в ній різних іонів, наприклад, для визначення її жорсткості.

Гель-хроматографія

Суть методу зводиться до того, що аналізований розчин повільно фільтрується через колонки, наповнені гелем. Деколи його називають гелъ-фільтрацією. Окремі частки гелю складаються з пластичних лінійних молекул речовин з високою молекулярною масою, з'єднаних поперечними зв'язками. Така сітчаста структура сприяє набухання гелю у воді і появи в ньому пір різного діаметра. Розміри пір залежать від природи полімеру, температури середовища і природи розчинника. Поділ ґрунтується на здатності більш дрібних молекул проникати глибше в пори і залишатися там протягом більшого часу. Тому спочатку колонки виходять більш великі молекули, а потім ті, що подрібніше. Цим методом проводять два види поділу: групове і фракціонування. Для першого характерне розділення компонентів суміші за їх молекулярної маси. Для другого - по швидкості і інтенсивності дифузії частинок всередину гелю. Найчастіше застосовується гель-хроматографія у біохімії, в органічних синтезах і хімії полімерів для визначення молекулярних мас. В якості прикладу можна навести аналіз хроматографическими методами білків і пептидів у плазмі крові. У порівнянні з мас-спектрометричними методами відстеження білково-пептидного гомеостазу з розподілу білків і продуктів їх розпаду гель-хроматографічним методом значно більш доступно.