Методы количественного анализа в хроматографии

Содержание

 

Раздел                                                                                                           стр.

 

1. Краткая история развития хроматографии.                                2
2. Теоретические основы метода.                                                    3
3. Порядок работы прибора.                                                             5
4. Качественный газохроматографический анализ.                       8
5. Количественный газохроматографический анализ.                  10

           V.I. Параметры пика как характеристика количества вещества.                10

           V.II.Методы количественного анализа в хроматографии                            13                                                                                

           

6. Области применения газовой хроматографии.                            14                        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I.Краткая история развития хроматографии.

 

История возникновения хроматографии как науки относится к 1903 году, когда в трудах Варшавского университета появилась программная статья русского ученого Михаила Семеновича Цвета “О новой категории адсорбционных явлений и их применению к биохимическому анализу”(он впервые разделил растительные пигменты). Как оказалось впоследствии, именно в этой работе впервые были изложены основы хроматографического метода.

Михаил Семенович Цвет был ботаником-биохимиком с широкими чисто химическими интересами.  М. С. Цвет не только открыл само явление разделения, правильно понял физический смысл происходящих процессов, но даже предложил и терминологию, которая сохранилась до настоящего времени. Более того, М. С. Цвет прекрасно понимал, что открытый им метод успешно применим не только для разделения смесей окрашенных соединений, но и для разделения смесей бесцветных веществ, т.е. понимал универсальность этого метода. Он пишет: “Конечно, описанные адсорбционные явления наблюдаются не только в случае окрашенных пигментов хлорофилла. Можно предполагать, что все виды окрашенных и бесцветных веществ подчиняются тем же законам”. В настоящее время заслуги М. С. Цвета признаны во всем мире. Та хроматография, которую открыл М. С. Цвет, классифицируется по принятой классификации как адсорбционная хроматография или молекулярная хроматография. Однако, по существу, М. С. Цвет является первооткрывателем всей хроматографии, поскольку то, что начало развиваться потом, произошло на основе именно этих работ М. С. Цвета. Как развивались события в научном мире после работ М. С. Цвета?

Хроматографию сначала использовали очень редко, она появилась слишком рано и в то время еще не могла быть понята и принята по достоинству.

Скрытый период развития хроматографии окончился в 1931 году, после того, как Э. Ледерер, прочитав сделанный Г. Вильштетером рукописный перевод книги М. С. Цвета на немецкий язык, провел хроматографическое разделение каротинов. С этого времени хроматография и стала широко использоваться в ботанических и биохимических лабораториях.

В 1952−1953 годах А. Мартин и Д. Синг осуществили вариант газовой распределительной хроматографии.

С середины 70-х годов начинается период интенсивного раз- вития высокоэффективной жидкостной хроматографии.

С середины 80-х годов получили развитие практическое  использование флюидной хроматографии и полная компьютеризация всего хроматографического процесса.

II. Теоретические основы метода.

 

Хроматография [гр. сhromatos − цвет + grapho − пишу] – метод разделения, анализа и физико-химических исследований веществ, основанный на перемещении зоны вещества вдоль слоя сорбента в потоке подвижной фазы с многократным повторением сорбционных и десорбционных актов. При этом разделяемые вещества распределяются между двумя несмешивающимися фазами (в зависимости от их относительной растворимости в каждой фазе): подвижной и неподвижной.

Несмотря на то, что метод газовой хроматографии был открыт только в 1952 году, теория процесса разделения смесей веществ этим методом на настоящее время разработана гораздо глубже, чем для других методов. Это объясняется прежде всего тем, что методы газовой хроматографии использовались в практике гораздо интенсивнее других. Отличительной особенностью газовой хроматографии от других методов хроматографических разделений является то, что используемая подвижная фаза должна обязательно находится в газообразном состоянии и выполнять роль газа-носителя, перемещающего разделяемые соединения по колонке. В качестве газов-носителей могут быть использованы индивидуальные газы, газообразные соединения или смеси газов и газообразных соединений. Например: водород, гелий, азот, аргон и углекислый газ. Наиболее часто используют азот, как более доступный и дешевый.

Характерными особенностями газовой хроматографии являются:

 • Высокая разделительная  способность: по своим возможностям  анализа многокомпонентных смесей  газовая хроматография не имеет конкурентов. Ни один другой метод не позволяет анализировать фракции нефти, состоящие из сотен компонентов, в течение одного часа.

 • Универсальность: разделение  и анализ самых различных смесей  – от низкокипящих газов до  смесей жидких и твердых веществ с температурой кипения до 500 о С и выше – характеризует универсальность метода. В нефтехимической и газовой промышленности 90−100 % всех анализов можно выполнять методом газовой хроматографии.

 • Высокая чувствительность: высокая чувствительность метода обусловлена тем, что применяемые детектирующие системы позволяют надежно определять концентрации 10-8 – 10-9 мг/мл. Используя методы концентрирования и селективные детекторы, можно определять микропримеси с концентрациями до 10-10 %.

• Экспрессность: экспрессность газовой хроматографии подчеркивается тем, что продолжительность разделения в большинстве случаев составляет 10−15 минут, иногда при разделении многокомпонентных смесей 1−1.5 часа. Однако за это время анализируется несколько десятков или сотен компонентов. В некоторых специальных случаях время разделения может быть меньше одной минуты.

• Легкость аппаратурного оформления: газовые хроматографы относительно дешевы, достаточно надежны, имеется возможность полной автоматизации процесса анализа.

• Малый размер пробы: газовая хроматография по существу метод микроанализа, поскольку для анализа достаточно пробы в десятые доли мг.

• Высокая точность анализа: погрешность измерений ± 5 % относительных легко достигается практически на любой газохроматографической аппаратуре. В специальных условиях достигается погрешность ± 0.001−0.002 % относительных.

 Следует отметить и существующие ограничения метода газовой хроматографии:

 • невозможность разделения  и анализа смесей нелетучих  соединений;

 • осложнения при разделении и анализе термически нестабильных соединений;

 • невозможность разделения и анализа соединений, способных к диссоциации в анализируемых растворах (разделение ионов)

Варианты метода:

классификация вариантов основывается только на особенностях неподвижной фазы. В качестве неподвижной фазы в газовой хроматографии используется или твердый адсорбент, или жидкость, нанесенная в виде тонкой пленки на адсорбционно-инертный твердый носитель. В соответствии с типом используемых неподвижных фаз газохро- матографические методы подразделяются на газо-адсорбционный и газо-жидкостный.

Наиболее часто используемые в газовой хроматографии твердые адсорбенты целесообразно разделить на четыре группы:                                                                                       • углеродные адсорбенты( графитированная термическая сажа, активированный уголь, углеродные молекулярные сита);                                                                                                                   • адсорбенты с высоким содержанием кремниевой кислоты(силикагель, пористые стекла, цеолитовые молекулярные сита);                                                                                                            • оксид алюминия;                                                                                                                                       • органические адсорбенты(пористые сополимеры стирола и дивинилбензола).

В том случае, если используемый твердый носитель неподвижной жидкой фазы проявляет адсорбционные свойства, реализуется промежуточный вариант газовой хроматографии – газо-жидко-твердофазная хроматография.

 

 

 

 

III. Порядок работы прибора.

Устройство ввода подаёт в поток газа-носителя определенное количество анализируемой смеси в газообразном состоянии непосредственно перед колонкой. Правильный ввод пробы предполагает обязательное выполнение трех основных требований:                           • обеспечение минимального размывания пробы в системе ввода пробы;                               • обеспечение максимальной точности и воспроизводимости дозируемого количества образца;                                                                                                                                             • обеспечение неизменности количественного и качественного состава смеси до и после дозирования.

В зависимости от агрегатного состояния анализируемой пробы используются различные способы их ввода. Ввод газообразных проб можно осуществить либо с помощью обычного медицинского шприца, либо используя специальные дозирующие устройства(газовый кран, газовый шток, газовая петля).

Ввод жидких проб. В первых газохроматографических приборах жидкая проба вводилась в колонку с помощью микропипетки. При этом поток газа- носителя прерывался. В 1954 году Рэй предложил метод ввода пробы в непрерывно движущийся поток газа-носителя с помощью шприца через самоуплотняющуюся резиновую мембрану. Устройство для ввода жидких проб должно быть обязательно снабжено испарителем, в котором образец мгновенно испаряется, смешивается с газом- носителем и поступает в хроматографическую колонку. В хроматографической колонке осуществляется разделение смеси на отдельные составляющие компоненты за счёт процессов сорбции и десорбции веществ на неподвижной фазе. При этом слабо сорбируемые вещества, будут переноситься подвижной фазой по колонке с большей скоростью и наоборот.                  Хроматографические колонки в соответствии с их назначением подразделяются на колонки аналитические, колонки препаративные и так называемые предколонки.    Главное назначение аналитической хроматографической колонки состоит в том, чтобы разделить многокомпонентную смесь на серию бинарных смесей компонент-газ-носитель для которых уже может быть применен прибор, регистрирующий состав этой смеси и позволяющий установить качественный состав анализируемой смеси и количественное содержание каждого из компонентов.                                                                         Препаративные хроматографические колонки предназначены для получения методами газовой хроматографии в чистом виде необходимых количеств тех или иных компонентов, присутствующих во вводимой в колонку пробе.                                   Предколонки позволяют решить задачу предварительного концентрирования компонентов пробы из достаточно больших объемов для последующего их разделения или решить задачу извлечения из объема анализируемой пробы мешающих разделению компонентов

Из колонки разделённые компоненты смеси попадают в детектор. Детектор регистрирует присутствие веществ, отличающихся по физической или физико-химическим свойствам от газа-носителя, и преобразует возникающие изменение в электрический сигнал. В газовой хроматографии используют широкий круг детекторов, которые можно подразделить на интегральные и дифференциальные. Интегральные – регистрируют изменение во времени суммарного количества всех компонентов, дифференциальные – измеряют мгновенную концентрацию компонентов.

Дифференциальные детекторы в свою очередь подразделяют на концентрационные и потоковые. В концентрационном детекторе сигнал определяется текущей концентрацией в ячейке и многократно регистрируется, зависит от скорости потока. Детектор такого типа – катарометр.

Потоковый детектор регистрирует сигнал однократно, сигнал определяется мгновенным значением концентрации, не зависит от скорости потока. Пример такого детектора – пламенно-ионизационный детектор.

 

Общие требования, предъявляемые к детекторам следующие:                                                  – достаточная чувствительность для решения конкретной задачи;                                          – малая инерционность;                                                                                                                 – малая зависимость показаний от параметров опыта (температуры, давления, скорости потока и др.);                                                                                                                                          – линейная связь между показаниями и концентрацией в широком интервале ее изменения;                                                                                                                                       – стабильность «нулевой линии»;                                                                                                                – легкость записи сигнала и передачи его на расстояние;                                                              – простота, дешевизна .                                                                                                                 Далее происходит усиление и аналого-цифровое преобразование полученного сигнала. Регистрирующий прибор (компьютер и самописец) и строит график зависимости сигнала детектора от времени, называемый хроматограммой.

Прохождение в детекторе газа-носителя без пробы на хроматограмме отражается фоновым сигналом детектора, который называется нулевой линией. Нулевая линия имеет высокочастотные колебания – шум. Изменение сигнала нулевой линии детектора во времени называется дрейфом. При прохождении через детектор анализируемого компонента происходит отклонение уровня сигнала детектора от нулевой линии. Это отклонение отображается на хроматограмме в виде пика. Пик на хроматограмме имеет следующие характеристики: время удержания – время от начала анализа до выхода максимума пика. Время удержания – качественная характеристика анализируемого компонента, площадь и высота – количественной характеристики.                                                                                           Площадь – область, ограниченная профилем пика и базовой линией.                                 Высота – расстояние от вершины пика до базовой линии.