Жидкостная хроматография

5.1.4 Жидкостная хроматография

Среди хроматографических методов анализа наиболее разработанным является газовая хроматография, однако при некоторых анализах этот метод малоэффективен (малолетучих, химически и термически нестойких, высокореакционноспособных и др. веществ), поэтому целесообразнее применять жидкостную хроматографию.

Жидкостная хроматография основана на взаимодействии, возникающем при движении жидкой фазы сквозь неподвижный слой сорбента, обладающего большой суммарной поверхностью.

Особенностью хроматографического метода является распределение компонентов разделяемой смеси между фазами, одна из которых неподвижная большая поверхность, а другая — поток, фильтрующийся через неподвижный слой, в жидкостной хроматографии этот поток — жидкость (подвижная фаза).

Во всех случаях, когда подвижная фаза является жидкостью, мы имеем дело с жидкостной хроматографией, независимо от того, в каком состоянии находится неподвижная фаза.

Жидкостная хроматография получает всё большее развитие и применение с внедрением новых селективных адсорбентов на основе полимеров и становится высокочувствительным методом анализа многокомпонентных смесей в растворах.

В качестве хроматографической колонки в аналитической практике используют бюретки, делительные воронки.

Через колонку, заполненную адсорбентом, пропускают анализируемую смесь, состоящую из компонентов пробы и растворителя.

Эти компоненты будут распределяться на адсорбенте в зависимости от адсорбционной способности. В первую очередь (вверху колонки) будет адсорбироваться компонент с наибольшей адсорбционной способностью. Далее вниз по колонке растворяются компоненты по мере уменьшения адсорбционности. Например, имеются компоненты А и В в растворителе (Г-адсорбционная способность)

(Г) – Г_А больше Г_В

Для более чёткого разделения зон через колонку пропускают дополнительные порции растворителя, промывают растворителем.

 А + В (растворитель)

 Г_А > Г_В

А А А

 А

 В В В В

При этом зона А смещается несколько вниз, компонент В полностью вымывается из зоны А и также смещается вниз по колонке, между зонами А и В появляется промежуток. Если промывать колонку растворителем, то можно добиться вымывания компонентов из колонки в таком порядке:

1. В 2 Растворитель 2А

Жидкость, вытекающая из колонки — элюент.

Процесс хроматографического анализа складывается из 2-х стадий:

1.   Подготовка колонки

2.   Получение хроматограммы

Сущность жидкостной хроматографии состоит в том, что разделяемые вещества перемещаются через слой сорбента (НФ) вместе с подвижной фазой с разной скоростью вследствие различной сорбируемости.

В классическом варианте жидкостной хроматографии через хроматографическую колонку, заполненную сорбентом (НФ) пропускают элюент (ПФ).

Элюент — жидкость движется под воздействием силы тяжести, скорость движения элюента можно регулировать.

Пробу анализируемой смеси помещают в верхнюю часть колонки, по мере продвижения пробы по колонке происходит разделение компонентов и через определённые промежутки времени отбирают фракции элюента, которые подвергают анализу с целью определения концентраций анализируемых компонентов.

Аппаратура, применяемая в классической жидкостной колоночной хроматографии постоянно модернизируется, совершенствуется.

С начала 70-х годов получила развитие современная высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) — скоростная, хроматография высокого давления.

Появление этого метода было обусловлено необходимостью проведения анализа высококипящих (> 400 ºС) или неустойчивых соединений, которые не разделяются методами газовой хроматографии, а также с целью увеличения скорости и эффективности разделения.

Для осуществления этого применяют колонки с малым внутренним диаметром (2-6 мм), уменьшили диаметр частиц сорбента (5-50 мкм), что привело к необходимости увеличить давление на входе колонки до 0,5-40 Мпа. Выпускаемые промышленностью жидкостные хроматографы снабжены высокочувствительными детекторами, позволяющими определить до 10^-9 – 10^-10 г вещества.

Достаточно высокая скорость анализа, низкий предел обнаружения, высокая эффективность колонки, возможность определить любые вещества (кроме газов) привели к быстрому развитию высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ).

В высокоэффективной жидкостной хроматографии реализуют все механизмы разделения — адсорбция, распределение, ионный обмен и др., но независимо от механизма разделения подвижной фазой (ПФ) является жидкость.

В жидкостной хроматографии применяются хроматографические параметры — t_R, V_R (время удерживания и удерживаемый объём).

Принципиальная схема жидкостного хроматографа.

Основные узлы

Элюент в колонку подаётся по определённой программе, состав и скорость подачи элюетна может изменяться в зависимости от условий анализа. Для обеспечения высокой скорости анализа установка жидкостной хроматографии снабжена двумя насосами (3, 4), которые управляются микропроцессором (5) и могут создавать давление до 40 МПа. Проба вводится в поток элюента через специальное устройство дозатор (инжектор) – (7). После прохождения через хроматографическую колонку (8) вещества детектируются высокочувствительным детектором (9), сигнал которого регистрируется и обрабатывается микро-ЭВМ (11). Можно зарегистрировать параметры t_R и V_R на ленте самописца или автоматически отобрать фракции в момент выхода пиков, чтоб провести анализ этих фракций, используя любые методы анализа.

Колонка ЖХ

Колонка в жидкостной хроматографии представляет собой трубку из нержавеющей стали с внутренним диаметром 2-6 мм и длиной 10-25 см, отполированную внутри. Колонка заполняется частицами сорбента размером 3,5-10 мкм, обычно сферической формы. Обычно используют суспензию в специально подобранном растворителе под давлением 50-80 МПа, такие колонки обладают высокой разделяющей способностью.

Детекторы

В качестве детекторов в жидкостной хроматографии обычно используют высокочувствительные спектрофотометры, которые позволяют обнаружить определяемые компоненты в количествах до 10^-10 М, поглощающие свет в УФ или видимой части спектра (в пределах 190-800 нм).

В современных системах применяют высокочувствительные спектрофотометры, которые способны регистрировать спектр в течение 0,01-0,05 с, что очень важно при качественной идентификации соединений.

При анализе соединений, способных окисляться или восстанавливаться применяют электрохимический детектор, иногда применяют флуоресцентные детекторы и детекторы по электропроводности, которые чаще всего применяют в ионообменной хроматографии.

Неподвижные фазы (НФ)

Неподвижные фазы (НФ), применяемые в жидкостной хроматографии не должны смешиваться с подвижной фазой, должны быть механически и химически устойчивы в условиях анализа, обеспечивать требуемую селективность и эффективность.

В качестве таковых применяют силикагель, оксид алюминия и др.

Силикагель — (гель кремниевой кислоты SiO₂ · xH₂O) — одна из широко используемых НФ, специфический сорбент.

Адсорбция на силикагеле происходит вследствие образования водородных связей адсорбируемого вещества с поверхностными силанольными группами ≡ Si — OH. Силикагель более прочно удерживает вещества с большим количеством водородных связей.

Для хроматографических целей используют силикагели с площадью поверхности 100-700 м²/г.

Поверхность силикагеля имеет слабо-кислый характер (рН = 3-5), поэтому соединения основного характера сорбируются на нём лучше, чем на сорбентах поверхность которых имеет основной характер (рН > 7). Силикагели применяют для разделения углеводородов, спиртов, фенолов, аминов, органических кислот, стероидов, липидов, комплексных соединений и др.

Оксид алюминия (Al₂O₃) — поверхность этого сорбента, образованная ионами Al³⁺ и О^2- - способна создавать сильное электростатическое поле, обладающее поляризующим свойством, поэтому на оксиде алюминия в большей степени сорбируются легко поляризуемые соединения, имеющие систему легко смещаемых электронов, легко адсорбируется на поверхности оксида алюминия вода, которая удаляется при нагревании до 300-400ºС.

Различают три вида адсорбционных центров на оксиде алюминия:

кислотные, взаимодействующие с веществами, имеющие области с высокой электронной плотностью;

основные — адсорбирующие кислоты;

электронно-акцепторные, взаимодействующие с легко поляризуемыми ароматическими молекулами.

Количество воды на поверхности сорбента — и силикагеля и оксида алюминия влияют на процесс хроматографирования, поэтому для получения достоверных результатов хроматографирования необходимо поддерживать постоянное количество воды как на поверхности сорбента, так и в элюенте.

Кроме силикагеля и оксида алюминия в высокоэффективной жидкостной хроматографии применяют модифицированные сорбенты:

│

а) ≡ Si — O — Si — (CH₂)₇ — CH₃ неполярный октильный силикагель

 │

│

б) ≡ Si — O — Si — (CH₂)₁₇ — CH₃ неполярный октадецильный силикагель

 │

 │

в) ≡ Si — O — Si — (CH₂)₃ — NH₂ полярный аминопропильный силикагель

 │

 │

г) ≡ Si — O — Si — (CH₂)₃ — CN полярный цианпропильный силикагель

 │

 │

д) ≡ Si — O — Si — (CH₂) — неполярный фенил метиленовый силикагель

 │

Модифицированные сорбенты можно получить за счёт химической модификации силикагеля, силановые группы на поверхности силикагеля заменяют на различные органические соединения, что приводит к изменению селективности НФ.

 │ │ │

 O O O

 │ │ │

—  Si — O — Si — O — Si —

 │ │ │

 O O O

 │ │ │

 Si — O — Si — O — Si —

 │ │ │

 O O O

 │ │ │

 (силикагель)

В качестве полярных модифицированных сорбентов используют силикагели с привитыми цианопропильными, аминопропильными, оксипропильными группами и др. (в, г).

На модифицированных полярных сорбентах значительно быстрее устанавливается равновесие при переходе от элюента, меньше погрешности анализа.

В качестве неполярных модифицированных сорбентов используют силикагели с привитыми этильными (С₂), октильными (С₈), октадецильными (С₁₈) и фенильными радикалами. Эти сорбенты имеют большое сродство к гидрофобным молекулам (а, б, д).