Хроматографски методи за анализ: предимства и недостатъци

Хроматографският анализ днес е най-широко използваният метод за изследване на различни обекти. Това могат да бъдат проби, взети в околната среда, на работното място, в лабораторията и т.н. Този метод е предложен през 1903 г. от руския учен М. С. Цвет. Неговите изследвания станаха основа за развитието на всички видове хроматография, които съществуват днес и се използват за разделяне не само на оцветени, но и на неоцветени съединения във всички видове среди. Провеждането на хроматографски анализ е възможно по различни начини, като за всеки конкретен случай се използват собствени техники и изчислителни методи. Той се основава на разликите в адсорбцията или други свойства на съединенията, което допринася за тяхното разпределение между твърдия сорбент и течността (или газа), преминаваща през него.

Основни понятия

Хроматографският метод на анализ се отнася до такъв метод за разделяне и определяне на вещества, който се основава на разпределението на няколко компонента на пробата между две фази, една от които е подвижна, а другата е фиксирана.

Стационарната (стационарна) фаза обикновено е твърда порьозна субстанция (обикновено наричана сорбент) или филм от течност, която се отлага върху твърдо вещество.

Подвижната фаза е течно или газообразно вещество, преминаващо през стационарната фаза, понякога под налягане. Всички компоненти на анализираната смес (наречени сорбати) заедно с подвижната фаза се движат по протежение на стационарната фаза. Като правило се поставя в стъклена (метална) тръба - колона.

Скоростта на движение на компонентите по колоната зависи от степента на тяхното взаимодействие с повърхността на сорбента. Това води до факта, че някои компоненти ще останат в горната част на колоната, разпределени в обема на сорбента, други в долната част, а други няма да останат изобщо в нея и ще оставят с подвижната фаза.

Класификация на хроматографски методи за анализ

Тези методи на изследване на веществата са толкова разнообразни, че няма единна класификация. Обикновено те се разделят на следните характеристики:

• агрегатното състояние на сорбента и на подвижната фаза;
• механизма на свързващите вещества и сорбента;
• техника за анализ;
• метод за придвижване на пробата през колоната;
• цел на анализа.

Според агрегираното състояние на фазите

Според тази характеристика методите за хроматографски анализ се разделят на:

• газова хроматография, ако подвижната фаза е пара или газ;
• течна хроматография, когато подвижната фаза е в течно състояние.

Първият обикновено се използва за разделяне на летливите термично стабилни съединения с молекулно тегло до 300. Вторият е подходящ за отделяне на органични и неорганични компоненти, които имат молекулно тегло до 2000 г., дори ако те са термично нестабилни.

По естеството на взаимодействието на веществото със стационарната фаза

Според механизма на действие на сорбента с веществото хроматографските методи за анализ могат да бъдат:

• адсорбция, ако разделянето се основава на разлики в афинитета на компонентите на пробата към повърхността на адсорбента;
• разпределителни, ако отделянето на вещества се основава на разликите в тяхната разтворимост в подвижната фаза и сорбента;
• йонообмен, ако разделянето се основава на разлики в способността на компонентите да извършват йонен обмен;
• проникваща, ако отделянето на веществата се дължи на разлики в размера и формата на молекулите, както и на заряда.

Също така, хроматографските методи за анализ се класифицират по този метод в седиментни, редокси, комплексни и други.

Според експерименталната техника

Съгласно метода на обработка, хроматографията на процеса е:

• колона, в която се извършва разделяне в колони, напълнени със сорбент.
• плоска, която може да се извърши на хартия или върху плочи (тънкослойна хроматография).

Също така към този списък могат да бъдат добавени методи за хроматографски анализ, провеждани с използване на капиляри. Вътрешният диаметър на тези тръби е не повече от 1 mm. В сравнение с други видове хроматография, това ви позволява да увеличите скоростта на анализ и дават възможност за изследване със скъпи газове или сорбенти. Също така, малкият размер на колоната ви позволява да комбинирате това изследване с масова спектрометрия. Въпреки това, съществен недостатък на хроматографския метод за анализ на този тип е трудността да се въведе пробата в капиляра.

За движението на материята

Тази характеристика се нарича също метод на хроматография. Има:

• Хроматография с елуент. Най-подходящ за решаване на аналитични проблеми. Той се състои в това, че сместа от вещества, въведени в непрекъснато движещ се поток от елуент, се сорбира по-добре от подвижната фаза. По време на хода на елуента по колоната със сорбираните компоненти те започват да се движат по сорбента при различни скорости и да напускат колоната в отделни фракции (зони). Предимствата на метода на развитие са по-пълно разделяне на веществата, непрекъсната регенерация на сорбента и добра възпроизводимост на параметрите на задържане.
• Хроматография с изместване. Той се състои в това, че разделена проба се въвежда в подвижната фаза и след това пропелантът, който има сорбционния капацитет повече от всички останали, започва да преминава. По време на напредъка по колоната той измества предварително сорбираните вещества от сорбента, за да увеличи техния сорбционен капацитет.
• Фронтална хроматография. По време на изследването, анализираната смес се пропуска и през слой от сорбент. И по време на пълненето на колоната с компоненти, те постепенно излизат, за да повишат способността си за сорбция.

По предназначение

Класификацията на хроматографските методи за анализ, в зависимост от целта на процеса, е както следва:

• аналитична хроматография - е отделен метод, включващ разделяне на пробата на компоненти, както и техния количествен и качествен анализ;
• препаративната хроматография се използва изключително за отделяне на смес от вещества.

Предимства на метода

Хроматографският анализ има следните предимства пред другите методи за разделяне и изследване на вещества:

1. Поради факта, че този метод на разделяне има динамичен характер, характеризиращ се с многократно повтаряне на сорбционно-десорбцията, неговата ефективност е значително по-висока от тази на статичната сорбция или екстракция.
2. Използването на различни видове взаимодействия на сорбати и сорбенти (физични и хемосорбционни), позволява да се разшири гамата от вещества за селективно отделяне.
3. Някои техники предвиждат налагане на гравитационни, магнитни и други полета върху емитираните вещества, което разширява възможностите на хроматографията чрез промяна на условията за разделяне на компонентите.
4. Този метод е хибриден, защото съчетава едновременно разделяне и дефиниране на няколко компонента.
5. Хроматографията позволява да се решат няколко проблема едновременно. По този начин аналитичните задачи включват разделяне, идентифициране и определяне на вещества и препаративни - тяхното пречистване, изолиране и концентриране.

Характеристики на хроматографията

Високоефективната и високо селективна препаративна хроматография е необходима за разделяне на сложни проби, съдържащи голям брой отделни съединения с подобни физико-химични параметри (масло, всички видове лекарства, екстракти от растения, биологични течности и др.). По този начин газовите методи за хроматографски анализ са широко използвани за пречистване на химични вещества или за изолиране на отделни съединения в препаративната химия. За йонна екстракция е подходяща йонно-обменната хроматография, основана на разликите в способността на йони от разтвор за обменни процеси с йонообменник.

Съвременните хроматографски методи позволяват определянето на газообразни, течни и твърди вещества. Изборът на условия за анализа се фокусира върху естеството и състава на анализираната проба. Газова адсорбция и газово-течна хроматография позволяват изследването на летливи вещества, устойчиви на топлина. Така, газова адсорбционна хроматография е широко използвана за анализ на газови смеси и нискокипящи въглеводороди, които нямат активни функционални групи. Газ-течна хроматография е важна в нефтохимията, анализ на пестициди и торове, лекарства.

Течен хроматографски анализ на трансформаторно масло позволява своевременно откриване на дефекти или естеството и степента на увреждане на трансформатора. Състоянието му се оценява чрез сравняване на данните, получени при анализа, с допустимите стойности, както и степента на изменение на съдържанието на газ в маслото. По този начин високото съдържание на CO и CO ₂ обикновено сигнализира за нарушения в целулозната изолация. Но наличието на фуранови производни предполага стареене на хартиената изолация. По този начин хроматографският анализ на газовете допринася за безопасната и дългосрочна работа на оборудването.

Газова хроматография

Той е един от най-често срещаните разновидности на метода, поради факта, че за него са разработени различни техники с пълна теоретична обосновка и има надеждна и сравнително евтина апаратура. Подвижната фаза (газ-носител) са газове или техни смеси, както и вещества, които са газове при условията, при които се извършва анализът. Стационарната фаза е твърд сорбент (метод за адсорбция на газ) или течност на повърхността на инертен носител (газ-течен метод).

За газова хроматография можете допълнително да посочите редица предимства:

• висока скорост на процеса;
• възможност за анализ на микрозонда;
• автоматично регистриране на резултатите с наличието на подходящо оборудване;
• възможността за изолиране на компоненти не само в лаборатория, но и в индустриален мащаб.

Хартиена хроматография

Като стационарна фаза се използва филтър или специална хроматографска хартия. Последната е целулозна филтърна хартия с висока чистота и с някои специални свойства. Той абсорбира разтворителя при различни скорости на капилярно повдигане, в зависимост от плътността на хартията.

Основното оборудване са специални камери или съдове, тави, поставени на стелажи, пипети, пулверизатори, лампи за хроматограми, измервателни устройства, както и планиметри и денситометри, използвани за количествени определяния.

Този метод е най-подходящ за анализ на различни органични вещества, съдържащи различни функционални групи от алкохоли до стероиди, от амини до индоли, от витамини до антибиотици.

Йонно-обменна хроматография

Този метод се основава на обмена на йони между набъбналия йонен обменник и подвижната фаза. Йонно-обменното разделяне на смес от йони се характеризира с разликата в техните заряди и йонната сила на разтвора. В обема на йонитните зърна процесът на разделяне зависи и от скоростта на дифузия на йони, която се определя от плътността на йонообменника.

Йонитът се избира чрез параметър, наречен афинитет, който е пропорционален на заряда на йона и обратно пропорционален на радиуса на хидратния йон. Изборът на йонообменник се извършва чрез таблици с дадените характеристики на произведените типове йонообменници. Основните им характеристики са големината и формата на зърната, обменния капацитет, киселинно-алкалните свойства, подуването, плътността.

Разделянето на неорганични вещества се извършва върху неорганични йонообменници (зеолити, алуминиеви хидроксиди) или смоли (стирол с дивинилбензен). По този начин хроматографският метод за анализ на водата за присъствието на различни йони в него често се използва, например, за да се определи неговата твърдост.

Гел хроматография

Същността на метода е, че анализираният разтвор се филтрува бавно през колони, пълни с гел. Понякога се нарича гел филтрация. Отделните частици на гела са съставени от пластмасови линейни молекули на вещества с най-високо молекулно тегло, свързани с напречни връзки. Такава мрежеста структура допринася за набъбването на гела във водата и появата на пори с различни диаметри в него. Размерите на порите зависят от естеството на полимера, температурата на средата и естеството на разтворителя.

Разделянето се основава на способността на по-малките молекули да проникнат по-дълбоко в порите и да останат там за по-дълго време. Ето защо, на първо място по-големи молекули напускат колоната, а след това тези, които са по-малки.

Този метод осъществява два вида разделяне: група и фракциониране. Първият се характеризира с разделяне на смес от компоненти съгласно тяхното молекулно тегло. За втората, по отношение на скоростта и интензивността на дифузията на частиците вътре в гела. Най-често използваната гел хроматография в биохимията, в органичния синтез и химията на полимерите за определяне на молекулните маси. Като пример, хроматографски анализ на протеини и пептиди в плазмата е възможен. В сравнение с мас-спектрометричните методи, проследяването на протеино-пептиден хомеостаза в разпределението на протеините и техните продукти на разграждане чрез гел хроматография е много по-достъпно.