ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА Кафедра физической

ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Кафедра физической и коллоидной химии, факультет физикоматематических и естественных наук
Обязательный курс
Объём учебной нагрузки: 24 часов - лекции, 24 часов - практические занятия.
Содержание курса
Введение
Открытие хроматографии и последующее усовершенствование различных её
видов привели к настоящей революции в области аналитического контроля и
автоматизации производственных процессов пищевой, химической, нефтяной и других отраслей промышленности, а также - в практике научноисследовательских работ. В настоящее время хроматография является одним
из наиболее распространенных методов анализа и физико-химического исследования веществ и процессов.
Тема 1. Хроматография.
Хроматографический процесс, его современное определение. Классификации
хроматографических методов: по агрегатному состоянию подвижной и неподвижной фаз (газовая и жидкостная хроматографии), по способу перемещения подвижной фазы (колоночная и тонкослойная хроматографии), по сорбционным свойствам подвижной фазы (проявительная, вытеснительная и
фронтальная хроматографии) и т.д. Основные этапы развития хроматографии
и хроматографического приборостроения. Вклад зарубежных (Мартин,
Сондж, Шваб, Голей и др.) и отечественных (Цвет, Измайлов, Гапон, Жуховицкий, Киселев, Сакодынский, Айвазов, Вигдергауз и др.) ученых в развитие хроматографии. Аппаратурное оформление процессов. Конструктивные
особенности хроматографических приборов для аналитических и препаративных целей. Лабораторные, промышленные, целевые и универсальные
хроматографы. Физико-химические явления в сорбционном хроматографическом процессе. Природа сорбционных сил (адсорбция, абсорбция, ионный
обмен). Диффузия сорбата в газовой фазе, в жидкой фазе и фазе твёрдого пористого адсорбента. Роль диффузии в осуществлении массообмена между
неподвижной и подвижной фазами и в размывании зоны сорбата, движущейся по хроматографической колонке.
Тема 2. Газовая хроматография.
Аппаратура для газовой хроматографии. Схема газового хроматографа: блок
подготовки газов, термостат колонок, испаритель, детектор, регистрирующий
прибор (самописец). Системы автоматизации анализа. Применение компьютеров для управления работой хроматографической аппаратуры и обработки
хроматографической информации. Примеры применения газовой хроматографии для аналитических целей. Основные характеристики некоторых зарубежных и отечественных хроматографов. Газ-носитель. Основные требова-
ния, предъявляемые к газу-носителю. Хроматографические колонки. Материал, размеры и форма колонок. Аналитические, капиллярные и препаративные колонки.
Тема 3. Носители для газовой хроматографии.
Твердые носители (адсорбенты), назначение твердого носителя. Природные и
полимерные адсорбенты. Основные типы адсорбентов, используемых в газоадсорбционной хроматографии. Влияние адсорбционной активности твердого носителя на асимметрию зон. Модифицирование твердых носителей. Основные типы отечественных и импортных твердых носителей. Неподвижная
жидкая фаза. Требования, предъявляемые к неподвижной жидкости. Классификация неподвижных фаз по полярности. Факторы полярности Роршнайдера и Мак-Рейнольдса. Бинарные и коллоидные сорбенты. Основные методы
регулирования селективности сорбентов в газо-жидкостной хроматографии.
Количество неподвижной жидкой фазы, степень пропитки. Методы нанесения неподвижной жидкости на твердый носитель. Летучесть неподвижной
жидкой фазы. Максимальная рабочая температура неподвижной жидкой фазы. Изотермическая газовая хроматография и хроматография с программированием температуры колонки.
Тема 4. Пробы.
Дозирование пробы. Требования, предъявляемые к дозаторам. Переключающие краны и краны-дозаторы. Узел ввода пробы в насадочные и капиллярные
колонки. Ввод пробы с помощью калиброванного объема и с использованием
перепада добавления между анализируемым газом и газом-носителем в колонке. Приборы и устройства для измерения расхода подвижной фазы. Регуляторы расхода и давления газов.
Тема 5. Детекторы.
Хроматографические детекторы. Детекторы для газовой хроматографии.
Требования, предъявляемые к детекторам, и их основные характеристики.
Концентрационные и потоковые детекторы. Чувствительность, инерционность и линейный динамический диапазон измерений. Детекторы по теплопроводности, плотности, термохимические, пламенно-ионизационные, термоионизационные, пламенно-фотометрические, детекторы с радиоактивными
источниками ионизации, фотоионизационные, ультразвуковые детекторы.
Тема 6. Теории хроматографии.
Задачи теории хроматографии. Классификация теорий хроматографии по
форме изотерм сорбции и скорости установления равновесия между неподвижной и подвижной фазами. Теория линейной хроматографии. Теория нелинейной хроматографии. Теория идеальной (равновесной) хроматографии.
Теория неидеальной (неравновесной) хроматографии. Контуры хроматографических зон сорбатов, описываемые различными теориями (линейная идеальная, нелинейная идеальная, линейная неидеальная и нелинейная неидеальная). Теория линейной равновесной хроматографии: метод материального
баланса (макроскопических постоянных), стохастическая теория. Вывод
уравнений скорости движения зоны сорбата для адсорбционной и распределительной газовой хроматографии. Течение газов через хроматографическую
колонку. Локальная скорость газа-носителя. Профиль скоростей газаносителя. Скорость газа-носителя на выходе из колонки. Теория линейной
неравновесной хроматографии. Эффективный коэффициент диффузии, учитывающий продольную диффузию, сопротивление массопередаче и другие
причины, приводящие к размыванию зоны сорбата в газовой и жидкостной
хроматографии. Уравнение для эффективного коэффициента диффузии с
учетом различных видов размываний в газовой хроматографии для наполненных (насадочных) и капиллярных колонок. Уравнение Ван-Деемтера для
насадочных и капиллярных колонок. Дифференциальное уравнение динамики сорбции и способы его решения для описания распределения концентраций сорбата на выходе из колонки (профиль хроматограммы). Распределение
концентраций сорбата вдоль слоя сорбента внутри колонки. Теория тарелок в
хроматографии. Эффективность хроматографической колонки. Число теоретических тарелок, эффективное и реальное число теоретических тарелок.
Число теоретических тарелок при бесконечно большом времени удерживания сорбата. Высота, эквивалентная теоретической тарелке (ВЭТТ). Влияние
различных факторов и физико-химических свойств сорбатов, подвижных и
неподвижных фаз на эффективность хроматографического процесса (скорость газа-носителя, оптимальная и оптимальная практическая скорости газаносителя; сжимаемость и давление газа-носителя, фактор градиента давления, диффузия сорбата в газе-носителе и неподвижной жидкой фазе; константы распределения или адсорбции; диаметр зерна, неоднородность фракции и плотность набивки сорбента; количество, толщина и неравномерность
пленки неподвижной жидкой фазы; адсорбционная активность твердого носителя; объем пробы и условия ее ввода в колонку). Теория нелинейной хроматографии. Асимметрия пика. Представление о применении метода статистических моментов. Различные статистические моменты и форма хроматографического пика.
Тема 7. Время удерживания.
Величины удерживания: время удерживания, время удерживания неадсорбирующегося газа, приведённое (исправленное) время удерживания, удерживаемый объём, удельный удерживаемый объём, абсолютный удерживаемый
объём. Индексы удерживания (логарифмические, линейные и универсальные). Влияние различных факторов на величины удерживания (доля объема
колонки, занятого газом, “мертвый объем” колонки; фактор градиента давления (коэффициент сжимаемости); количество сорбента; расход газаносителя; температура колонки).
Оценки качества хроматографического разделения. Критерии разделения и
селективности: степень разделения, коэффициенты селективности колонки и
неподвижной фазы. Критерии селективности по Херингтону и Байеру. Влияние различных факторов на качество разделения: зависимость степени разделения от селективности, эффективности и времени анализа для бинарных
смесей. Критерии равномерности и быстродействия для оценки качества
хроматографического разделения многокомпонентных смесей. Зависимость
критерия быстродействия от селективности, эффективности и сорбционной
ёмкости колонки. Основы качественного анализа. Некоторые методы и приемы качественного газохроматографического анализа, их достоинства, недостатки и область применения. Использование селективных детекторов, реакционной хроматографии и сигналов универсальных детекторов по теплопроводности и пламенно-ионизационного для идентификации исследуемых компонентов пробы. Индексы чувствительности. Многомерные (многоступенчатые) методы идентификации. Спектральные методы, основанные на использовании индексов удерживания и чувствительности. Групповая и индивидуальная идентификация. Анализ компонентов проб известного состава, известного происхождения и неизвестного состава. Количественный газохроматографический анализ. Хроматограмма как источник количественной информации о составе анализируемых смесей. Определение поправочных коэффициентов чувствительности детектора. Абсолютные и относительные поправочные коэффициенты чувствительности. Поправочные коэффициенты
при работе с катарометром и пламенно-ионизационным детектором. Основные методы количественной интерпретации хроматограмм (абсолютная градуировка, внутренний и двойной внутренний стандарт, внутренняя нормализация, методы добавки, с асинхронным вводом пробы и стандартов, использование системы “метка-стандарт” и др.). Количественный анализ неидентифицированных веществ с использованием величин удерживания и чувствительности в виде индексов. Основные понятия метрологии хроматографических измерений. Систематические и случайные составляющие погрешности,
оценка общей погрешности результата измерений. Особенности хроматографического анализа примесей методом газовой хроматографии. Концентрирование примесей. Хроматограммы примесей с использованием дифференцирования сигнала детектора. Определение примесей с применением метода
анализа равновесной паровой фазы. Хроматография как метод концентрирования примесей. Примеры применения при анализе соединений различных
классов (легкие газы, углеводороды, полярные соединения, реакционноспособные и биологически активные соединения и др.).
Тема 8. Газо-жидкостная хроматография (ГЖХ).
Газо-жидкостная хроматография (ГЖХ). Термодинамика удерживания в газожидкостной хроматографии. Закон Генри, связь с законом Рауля. Вывод
уравнений, связывающих удерживаемый объем сорбата с коэффициентом
распределения, коэффициентом емкости колонки (фактором удерживания).
Экспериментальные методы определения удерживаемого объема хроматографируемого соединения и коэффициента ёмкости колонки. Роль адсорбции
на межфазных границах газ-жидкость и жидкость - твердый носитель в
удерживании сорбатов в хроматографической колонке. Концепция газожидко-твердофазной хроматографии В.Г. Березкина. Уравнение Березкина
для приведённого объёма удерживания хроматографируемого соединения.
Влияние температуры на удерживание веществ в ГЖХ. Стандартные термодинамические функции сорбции в ГЖХ (энергия Гиббса, энтальпия, энтропия). Различные способы выбора стандартных состояний, их преимущества и
недостатки. Влияние давления газа-носителя в колонке на процесс распреде-
ления сорбата между жидкой и газовой фазами для случаев идеальной и неидеальной газовой фазы. Уравнение Эверетта. Природа селективности неподвижных жидких фаз. Фактор разделения. Жидкокристаллические неподвижные фазы. Газо-мезофазная хроматография. Разделение структурных
изомеров органических соединений. Бинарные неподвижные жидкие фазы
(гомогенные и коллоидные).
Тема 9. Жидкостная хроматография.
Жидкостная хроматография. Различные варианты жидкостной хроматографии по конфигурации разделяющей системы (колоночная, планарная, мембранная). Адсорбенты (носители) для жидкостной хроматографии. Выбор
подвижной фазы, градиентная хроматография. Нормально-фазовая хроматография. Обращенно-фазовая хроматография. Принципы разделения. Эффективность в ЖАХ. Жидкостная хроматография низкого давления. Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ). Практическое применение
ЖАХ: хроматография низкомолекулярных веществ, олигомеров и полимеров.
Тема 10. Тонкослойная хроматография.
Тонкослойная хроматография. Скорость движения хроматографической зоны. Оценка разделительной способности и эффективности. Зависимость приведенной высоты, эквивалентной теоретической тарелки от скорости подвижной фазы. Уравнение Нокса. Высокоэффективная тонкослойная хроматография. Способы проведения тонкослойной хроматографии (ТСХ). Способы обработки ТСХ-пластин. Обнаружение бесцветных соединений. Идентификация. Количественный ТСХ-анализ.
Тема 11. Бумажная хроматография.
Бумажная хроматография. Принципы выбора веществ неподвижной и подвижной фаз. Практическое применение бумажной хроматографии.
Эксклюзионная (ситовая) хроматография (гель–хроматография). Материалы
матриц и обменников. Гидрофильные и гидрофобные гели. Основной принцип гель-фильтрации. Коэффициент распределения в эксклюзионной хроматографии. Коэффициент доступности внутреннего объема гранул. Графики
селективности. Эффективность разделения. Выбор элюента. Оптимизация
разрешения. Фракционирование белков. Определение молекулярной массы
белков. Коэффициент формы. Применение гель-хроматографии для очистки
белков, ферментов. Лигандообменная и энантиоселективная (хиральная)
хроматография. Механизм удерживания. Применение для разделения геометрических и оптических изомеров, смеси энантиомеров. Аффинная (биоспецифическая) хроматография. Природа сорбента и механизм удерживания.
Аналитическое и препаративное применение аффинной хроматографии.
Ионообменная хроматография. Ионный обмен. Уравнение Никольского. Основные ионообменные материалы (на основе полимеров и модифицированных силикагелей). Природа функциональных групп и противоионов. Выбор
состава водного элюента. Представление об ион-парной хроматографии. Выбор принципа разделения органических соединений различных классов методами жидкостной хроматографии. Несорбционные хроматографические
методы. Гидродинамическая хроматография коллоидов и частиц вирусов.
Электорофорез и электрохроматографические методы (электрохроматография, электрофорез, гель-электрофорез, капиллярный электрофорез). Механизмы разделения. Аналитические и препаративные возможности методов.
Тема 12. Физико-химическое применение хроматографии.
Физико-химическое применение хроматографии. Газовая хроматография как
метод физико-химических исследований. Исторические сведения. Физикохимические характеристики веществ, определяемые с помощью газовой хроматографии, их связь с основными параметрами хроматограмм (время удерживания, форма, дисперсия и контуры хроматографического пика). Требования к аппаратуре, источники погрешностей хроматографических методов
определения физико-химических величин. Изучение термодинамики сорбции
в системе газ-жидкость. Определение термодинамических условий равновесия и протекания хроматографического процесса. Равновесные константы,
константа распределения и константа сорбции Генри, их связь с величинами
удерживания.
Тема 13. Изучение свойств неводных растворов.
Хроматография как метод изучения свойств неводных растворов. Термодинамическая классификация растворов: идеальные и неидеальные, регулярные
и атермальные. Бесконечно разбавленные растворы. Выполнение законов Рауля и Генри. Термодинамические функции неидеальных растворов. Положительные и отрицательные отклонения от закона Рауля, причины отклонений.
Активности и коэффициенты активности, вычисление коэффициентов активности по данным о равновесии жидкость-пар. Коэффициенты активности
сорбата в неподвижной фазе, их влияние на удерживание веществ в газожидкостной хроматографии. Расчет энергии Гиббса, энтальпии и энтропии
сорбции для идеальной гетерогенной системы, системы идеальный газ - реальный раствор и полностью неидеальной системы. Сравнительная информация о системе, получаемая на основе различных характеристик удерживания. Описание свойств растворов при помощи избыточных термодинамических функций в симметричной системе сравнения, метод Скэтчарда. Энтальпия и энтропия смешения. Расчет избыточных функций на основе коэффициентов активности и термодинамических функций фазовых переходов газжидкость. Сравнение и оценка преимуществ методов определения физикохимических характеристик по интерполяционным, относительным и абсолютным величинам удерживания. Корреляционные уравнения в хроматографии. Понятие о четно-нечетном эффекте. Цепеобразующие атомы в гомологических рядах. Классификация неводных бинарных систем по типу фазовых
диаграмм жидкость-пар. Принцип аддитивности энергий Гиббса сорбции и
хроматографического удерживания для смешанного сорбента, смешанных
неподвижных фаз, образующих гетерогенные системы, гомогенные системы
со слабым и сильным взаимодействием компонентов. Прогнозирование
удерживания и выбор оптимального состава полинарного сорбента. Неводные растворы электролитов в хроматографии. Комплексообразование, определение константы образования комплекса. Жидкие кристаллы как специфи-
ческие сорбенты в хроматографии. Классификация мезогенов: смектические,
нематические, холестерические и дискотические мезофазы. Анизотропия
свойств. Статистический фактор упорядоченности мезофазы, представление
об оси преобладающей ориентации (директор). Структурное соответствие
мезогена и сорбата, термодинамический аспект структурной и оптической
селективности. Изучение физических и физико-химических свойств веществ.
Кинетика химических реакций, специфические методы изучения каталитических процессов с использованием хроматографической аппаратуры. Определение давления насыщенного пара веществ и теплоты испарения, температуры кипения. Уравнение Антуана. Регулирование селективности путем изменения давления, барохроматография. Сжимаемость газа, вириальная форма
уравнения состояния газа. Расчет и экспериментальное определение вторых
вириальных коэффициентов, использование критических и приведенных характеристик веществ. Определение физико-химических свойств высокомолекулярных и малолетучих соединений методом обращенной газо-жидкостной
хроматографии. Коэффициенты диффузии в газовой и жидкой фазах. Диэлектрическая проницаемость и дипольные моменты веществ, применение
уравнения Клаузиуса-Моссотти. Определение плотности веществ. Определение температуры фазовых и физических переходов в полимерах. Определение гидрофильности поверхности адсорбентов.
Перечень лабораторных работ
1. Приготовление неподвижной фазы для насадочной колонки газожидкостной хроматографии.
2. Определение эффективности хроматографической колонки и времени
удерживания несорбирующегося газа.
3. Определение величин удерживания, критериев разделения и селективности хроматографического процесса.
4. Определение качественного состава сложной смеси по индексам
удерживания Ковача.
5. Проведение количественного анализа смесей методом абсолютной
калибровки.
6. Проведение количественного анализа смесей методом внутреннего
стандарта.
7. Определение поправочных коэффициентов чувствительности детектора.
8. Определение коэффициента диффузии вещества газохроматографическим методом.
9. Получение изотермы адсорбции вещества методом газоадсорбционной хроматографии.
10.Определение коэффициентов активности бесконечно разбавленных
растворов методом ГЖХ.
11.Определение избыточных термодинамических функций смешения
сорбата с неподвижной жидкой фазой методом ГЖХ.
12.Определение смешанного вириального коэффициента пары сорбатгаз-носитель газохроматографическим методом.
13.Определение температуры стеклования полимеров методом обращённой газовой хроматографии.
14.Определение степени кристалличности полимера методом обращённой газовой хроматографии.
15.Определение гидрофильности поверхности адсорбентов методом обращённой газовой хроматографии.
16.Определение коэффициента диффузии сорбата в полимерной плёнке.
17.Определение числа и высоты теоретических тарелок газохроматографического разделения смесей.
18.Определение оптимального количества жидкой фазы, наносимой на
инертный носитель.
19.Определение полярности жидкой фазы.
20.Определение теплоты и энтропии адсорбции газохроматографическим методом.
21.Определение теплоты и энтропии растворения газохроматографическим методом.
22.Газохроматографическое определение удельной поверхности методом термодесорбции азота.
Литература
Обязательная
1. Гольберт К.А., Вигдергауз М.С. Введение в газовую хроматографию. М.: Химия, 1990.
2. Гиошон Ж., Гийемен К. Количественная газовая хроматография для
лабораторных анализов и промышленного контроля: В 2 т. - М.: Мир,
1991.
3. Вигдергауз М.С. Физико-химические основы и современные аспекты
газовой хроматографии. - Самара: Изд-во “Самарский университет”,
1993.
4. Крейчи М., Паюрек Я., Комерс Р. Вычисления и величины в сорбционной колоночной хроматографии. - М.: Мир, 1993.
5. Вигдергауз М.С., Егорова К.В. Физико-химические применения газовой
хроматографии. - Куйбышев: Изд-во КГУ, 1985.
Дополнительная
1. Яшин Я.И. Физико-химические основы хроматографического разделения. - М.: Химия, 1976.
2. Киселев А.В. Межмолекулярные взаимодействия в адсорбции и хроматографии. - М.: Высшая школа, 1986.
3. Геккелер К., Экштайн Х. Аналитические и препаративные лабораторные методы. - М.: Химия, 1994.
4. Березкин В.Г. Газо-жидко-твердофазная хроматография. -М.: Химия,
1986.
5. Кокотов Ю.А., Золотарев П.П., Елькин Г.Э.. Теоретические основы
ионного обмена. Сложные ионообменные системы. - Л.: Наука, 1989.
6. Вигдергауз М.С. Расчеты в газовой хроматографии. - М.: Химия, 1978.
7. Киселев А.В., Яшин Я.И. Адсорбционная газовая и жидкостная хроматография. - М.: Химия, 1979.
Программа составлена
Конюхов В.Ю.
д.х.н., прфессор
кафедра физической и коллоидной химии, факультет физикоматематических и естественных наук