Хроматографические методики

Хроматографический анализ — основной способ контроля сырья и продукции на химических, нефтегазовых, пищевых, фармацевтических и других производствах. Многообразие хроматографических методик позволяет найти решение для разделения любых смесей и выделения веществ в микроскопических концентрациях. Хроматографы постоянно совершенствуются: повышается их точность, уменьшается время обработки результатов, минимизируются издержки на подготовку проб. В обзорной статье рассматриваются основные аспекты, касающиеся промышленного применения хроматографических методик, их разнообразия и возможностей:

• Возникновение хроматографии
• Классификация хроматографических методик
• Жидкостная хроматография
• Тонкослойная хроматография
• Газовая хроматография
• Точность хроматографических методик

Возникновение хроматографии

Впервые методика хроматографии была предложена русским ботаником Михаилом Цветом. В своих опытах он разделял хлорофилл на отдельные компоненты, но из-за их сходных свойств не мог применять уже существовавшие способы экстракции. Тогда он решил пропустить раствор хлорофилла через толченый мел, которым была заполнена стеклянная колба. В ходе эксперимента выяснилось, что отдельные компоненты смеси осаждаются с разной скоростью и образуют в меле «столбики» разной высоты. Цветовые зоны содержали в себе различные вещества, входящие в состав хлорофилла, которые затем удалось экстрагировать.

М. Цвет понял значение открытого им метода разделения многокомпонентных смесей для аналитической химии, но толчок в развитии хроматография получила только в 30-40-х годах прошлого века. В 50-х годах были собраны первые хроматографы, методики значительно расширились и усовершенствовались. Тогда же ученые поняли истинную ценность хроматографического анализа для контроля на производстве и сформулировали современное определение этого метода.

Хроматография — это методика разделения многокомпонентных смесей на отдельные составляющие путем прохождения подвижной фазы (несущей в себе анализируемое вещество) через неподвижную.

Классификация хроматографических методик

Хроматографические методики классифицируются по разным признакам:

• по агрегатному состоянию элюента;
• по способу размещения неподвижной фазы;
• по цели разделения;
• по механизму взаимодействия активной и неподвижной фаз.

Наиболее существенной признана классификация хроматографических методик по агрегатному состоянию подвижной фазы. Анализируемое вещество растворяется в жидкой среде (жидкостная хроматография), либо движется вместе с газом (газовая хроматография).

Интерес представляет и механизм взаимодействия фаз: разная скорость разделения компонентов объясняется различной способностью веществ к адсорбции, их неодинаковой растворимостью, разными ионными свойствами и так далее. В зависимости от этого хроматографические методики делятся на адсорбционные, распределительные, ионообменные и другие.

Рассмотрим основные виды современных хроматографических методик и их возможности.

Жидкостная хроматография

Жидкостная хроматографическая методика возникла первой и до сих пор применяется в аналитических лабораториях. В качестве неподвижной фазы (сорбента) используются природные или синтетические вещества: оксид алюминия, целлюлоза, крахмал, тефлон. В качестве элюента подготавливаются эфирные или спиртовые растворы.

Адсорбция осуществляется не на всей поверхности неподвижной фазы, а только на активных центрах, количество и качество которых зависит от способа подготовки сорбента. Вариативность позволяет подбирать вещество для анализа различных многокомпонентных веществ, в том числе и органических (например, нефтепродуктов).
Среди недостатков методик жидкостной хроматографии — трудоемкость и длительность способа, а также зависимость качества разделения смеси от размера частиц анализируемого вещества. Но использование хроматографов высокого давления и уменьшение размера колонок с элюатом и контроль его плотности, показателей преломления, интенсивности люминесценции позволяет добиться точного анализа и чувствительности.

Если же лаборатория заинтересована в снижении издержек на хроматографические методики и нуждается в быстром и полном разделении веществ без потребности в высокой чувствительности, то ей стоит обратить внимание на тонкослойную хроматографию.

Тонкослойная хроматография

Тонкослойная хроматографическая методика была предложена в 1938 году и остается одной из самых доступных в экономическом плане. Капля разделяемой смеси (в жидкой фазе) наносится на тонкую пластинку, покрытую сорбентом. Нижний край пластины погружают в элюент. За счет капиллярных сил начинается движение жидкости по пластинке, анализ которого позволяет определить состав разделяемой смеси. При правильной подготовке подвижной и неподвижной фаз и небольшом объеме пробы, каждый компонент реагента движется со своей скоростью, образуя на поверхности пластины «пятно».

Полученные данные сопоставляются с эталонными значениями или «свидетелями» (предполагаемыми компонентами пробы). Наиболее сложная задача в тонкослойной методике хроматографии заключается не в проведении анализа, а в расшифровке его результатов. Для этого используются таблицы, селективные реагенты или спектрофотометрия.

Одна из разновидностей тонкослойной хроматографии — бумажная, при которой вместо пластины с сорбентом используется лист фильтровальной бумаги.

Газовая хроматография

Жидкостная (в том числе и тонкослойная) хроматографическая методика имеет существенный недостаток — с сорбентом наравне с анализируемым веществом взаимодействует растворитель. При использовании газа-носителя этот минус устраняется, поскольку он практически не взаимодействует с неподвижной фазой и расшифровка результатов упрощается.

Газовая хроматография делится на две ключевые методики:

• газоадсорбционную;
• газожидкостную.

Первая признана одной из лучших для анализа легких неорганических газов, например, компонентов воздуха, поэтому ее применяют для экологического контроля на производстве (выявление процентного содержания угарного газа, оксидов серы и азота).

В газожидкостной хроматографической методике колонка хроматографа заполняется жидкостью (неподвижная фаза), а анализируемая проба движется за счет газа-носителя. Компоненты реагента растворяются в жидкой среде, а затем извлекаются из нее с новыми порциями газа, давая лаборантам представление о составе пробы и процентном содержании отдельных компонентов.

Газожидкостная хроматография — ключевая методика анализа продуктов нефтеперерабатывающего комплекса, ее используют для определения содержания органических соединений в воде и почве.

Точность хроматографических методик

Выбор хроматографической методики зависит от физико-химических свойств анализируемой смеси, а точность полученных данных целиком определяется параметрами хроматографа. Современное оборудование обеспечивает высокую чувствительность и позволяет обнаруживать в пробе вещества в концентрациях 10^-9.

Но для производственного контроля важна не только точность результата, но и снижение издержек на проведение анализа: уменьшение расхода газа-носителя, быстрая расшифровка данных, удешевление подготовки пробы. С этими задачами также эффективно справляются современные хроматографы.