Одним из ярких важных научных достижений XX века являет­ся хроматографический метод, открытый русским ученым М. С. Цве­том в 1903 г. (о жизни и деятельности Михаила Семеновича Цвета можно прочитать в монографии [1]) и благодаря высокой эффектив­ности нашедший чрезвычайно широкое применение. Хроматограф - один из первых научных приборов, побывавших на других планетах, он применялся для анализа состава атмосферы Марса.

Хроматография является методом не только разделения сложных смесей (аналитическая хроматография) [2], но и определе­ния физико-химических характеристик веществ и методом концен­трирования (препаративная хроматография) [3]. Препаративная разде­лительная колонка должна иметь достаточно большую допустимую удельную нагрузку. С этой целью поперечное сечение колонки следу­ет увеличить и заполнить колонку подходящей насадкой. Для того чтобы разделенные вещества можно было легко выделить в чистом виде, подвижная фаза (а в случае распределительных систем и раство­ренная в подвижной фазе неподвижная фаза) должна быть летучей. Степень разделения в препаративной хроматографии всегда меньше, чем в аналитической, и из-за неизбежного использования длинных разделительных колонок длительность анализа также всегда больше [4].

Универсальные способности делают хроматограф незамени­мым прибором для контроля протекания технологических процессов - особенно на тех производствах, где в реакции вовлекаются сложные смеси [5]. Например, на нефтехимических предприятиях расходы на приобретение хроматографа окупаются за одну неделю.

С помощью хроматографии решаются следующие задачи [6]:

• Оценка качества исходного сырья и материалов. Необходимо учи­тывать, что применяемые в производстве и переработке полимеров сырье и материалы относятся к высокомолекулярным и термически неустойчивым системам, которые не могут быть проанализированы прямым хроматографическим методом, поскольку не могут быть пе­реведены в парообразное состояние. Но в то же время такие продукты, как мономеры, растворители, стабилизаторы фенольного и аминного типа, пластификаторы, модификаторы и др., обладают достаточной летучестью и термостабильностью, и для их анализа применяются га­зохроматографические методы.

• Определение влаги в сырье и материалах с помощью прямых и косвенных хроматографических методов. Прямые методы основаны

на отделении воды от компонентов анализируемой смеси в хромато­графической колонке с последующим измерением концентрации воды катарометром. Косвенные методы основаны на связывании воды в летучие органические соединения, количество которых измеряется хроматографическим методом с применением пламенно­ионизационного детектора,

• Оценка качества полупродуктов по составу и контроль процессов их производства, в том числе процессов полимеризации и поликон­денсации.

• Контроль качества готовой продукции. Особенности определения летучих примесей, которые содержатся в эластомерах и латексах, свя­заны с гетерогенностью системы и физическим состоянием образца и сводятся к количественному выделению их из пробы. Выделение примесей может осуществляться как вне хроматографа, так и непо­средственно в нем. В первом случае используют методы экстракции (для анализа малолетучих соединений типа полимеров и высокомоле­кулярных добавок), растворения с последующим осаждением полиме­ра (выделение летучих соединений из растворимых образцов и анализ

маточного раствора, получаемого после осаждения полимера из раствора органическим растворителем, например, при анализе стаби­лизаторов фенольного типа), отгонки с водяным паром (при опреде­лении остаточных мономеров), термической десорбции (при воздей­ствии температуры и потока газа на полимер десорбированные при­меси собирают в охлажденной ловушке и анализируют полученный конденсат), сочетание жидкостной и газовой хроматографии. Во вто­ром случае наиболее часто используют методы прямого ввода проб в [хроматограф, снижающие продолжительность и трудоемкость опера - ший за счет исключения стадии подготовки образца, количество испы­туемого материала, увеличивающие точность определения, а также шетод термической десорбции, обладающий высокой чувствительно­стью.

V Определение микроструктуры полимеров осуществляют методами реакционной и пиролитической газовой хроматографии, а также пу - рем сочетания химических реакций, проводимых вне хроматографа, с Последующим газохроматографическим анализом продуктов реакции. Кля этой же цели используют хроматографические анализаторы эле- рентного состава, разделяющие оксиды азота, углерода и воду, обра­щающиеся при сжигании образца.

■ Измерение молекулярной массы полимеров с помощью методов ■бращенной газовой и гельпроникающей хроматографии. Поскольку Рервый метод трудоемок в связи с необходимостью приготовления ■ррбента для каждого измерения, он применяется только для опреде­ления молекулярной массы и ММР низкомолекулярной части каучу - ■ов и олигомеров.

Щ Измерение объемов удерживания стандартных соединений при Рспользовании в качестве сорбента или неподвижной жидкой фазы иолимеров при различных температурах вблизи температурных пере­родов исследуемых полимеров позволяет оценить значение темпера - руры стеклования и исследовать кинетику кристаллизации полимера.

■Качественная оценка газопроницаемости. Для этого используют ■двухкамерные устройства, в которые помещают исследуемый ■образец. Пробу газа после диффузии через испытуемый материал ■отбирают шприцем и вводят в хроматограф. С этой целью разработан

■ специальный прибор - хромопласт, работающий как в статическом, |так и в динамическом режиме.

р Исследование и контроль загрязнения окружающей среды (возду - ка производственных помещений, промышленных выбросов и сточ­ных вод, санитарно-химическая оценка полимерных материалов).

Энциклопедия полимеров (Т. З,С.838) приводит наиболее пол­ную схему, обобщающую возможности хроматографии в сочетании с другими методами исследования полимеров. Ее дополняет обзор но­вых хроматографических методов для анализа полимеров [7].

Хроматография - метод разделения веществ и определения их физико-химических характеристик, основанный на различных скоро­стях движения зон веществ в потоке одной фазы, движущейся относи­тельно другой, а также на различной способности компонентов анали ­зируемой смеси распределяться между двумя несмешивающимися фазами, одна из которых - слой с большой поверхностью, а другая - поток {элюент). При перемещении смеси веществ потоком инертного газа или жидкости (подвижная фаза) вдоль слоя сорбента (неподвиж­ная фаза) соединения различной природы перемещаются с различны­ми скоростями, зависящими от степени их взаимодействия с обеими фазами. При достаточной длине слоя сорбента это приводит к образо­ванию в подвижной фазе отдельных зон каждого компонента смеси. Раствор, выделяющийся из слоя неподвижной фазы и содержащий растворенные компоненты смеси, называют элюатом [8, 9, 10].

Объем элюента, необходимый для извлечения из колонки мак­симальной концентрации вещества, называют объемом удерживания VR. Время от момента ввода пробы в колонку до момента выхода из нее максимальной концентрации определяемого вещества называют временем удерживания tR. Объем удерживания равен произведению времени удерживания на объемный расход элюента W при температу­ре и давлении колонки:

VR = iR-W,

В хроматографии высота полосы, эквивалентная теоретиче­ской тарелке (ВЭТТ), определяется для одного компонента при задан­ной скорости элюента, постоянной температуре и постоянном соот­ношении фаз по записанной хроматограмме:

h = Lw2f(16t$y

где Z-длина колонки; w-ширина пика у основания, равная отрезку, отсекаемому на основании двумя касательными, проведенными к пи­ку.

Как и в дистилляции, в хроматографии используют понятие числа эквивалентных теоретических тарелок п:

п = L/h ~ 16 tR /w2.

Однако если два компонента имеют одинаковые значения к’, их нельзя разделить даже на колонке с 10000 тарелками. Величина к! называется объемным 3 или массовым, отношением распределения и равна отношению времен удерживания в неподвижной и подвижной фазах:

к’ = tR’/10 = (tR-tJ/to,

Поэтому для описания разделительной колонки лучше использовать эффективную высоту //, эквивалентную теоретической тарелке, или эффективное число теоретических тарелок N:

H = h(l +к)2/к'2 =Lw2/(16tg-)2;

N = пка / (I + к')2 = 16 /W ■

Эффективная высота, эквивалентная теоретической тарелке, или чис­ло тарелок являются для каждой пробы константами, если в колонке под держиваются постоянные условия.

Величины хроматографического удерживания могут быть найдены в специальной литературе, справочниках, а также в автомати­зированных банках данных [11].

Разделение двух полос определяется расстоянием между мак­симумами пиков (выраженным как разность времен удерживания) и средней арифметической шириной обоих пиков у основания:

R=2 (Ir2 - tR]) / (Wj + W]).

В хроматографии стремятся не к наибольшему, а только к оптималь­ному разделению, т. е. пики должны отстоять друг от друга на требуе­мом расстоянии. Разделение двух пиков целесообразнее улучшать, увеличивая относительное удерживание, а не число тарелок. Удвоение числа тарелок, достигаемое в результате удвоения длины колонки, улучшает разделение примерно в 1,4 раза. При этом удваивается вре­мя удерживания и вместе с ним продолжительность анализа. Раздели­тельную систему всегда следует выбирать таким образом, чтобы от­носительное удерживание было как можно большим, т. е. чтобы раз­делительная система была очень селективной.

Рис.3.1

В «магическом треугольнике» хроматографии можно прово­дить оптимизацию только в одном направлении, причем чем больше проводят оптимизацию в одном направлении, тем дальше удаляются от двух других параметров. Еще не описана такая система, в которой высокое разрешение сочеталось бы с большой предельной допусти­мой нагрузкой и возможностью быстрого разделения.

Хроматографические сорбционные методы различаются по следующим признакам: в зависимости от агрегатного состояния сре­ды, в которой производится разделение, различают газовую, газожид­костную и жидкостную хроматографию. В качестве подвижной фазы используют газ [12], флюид [13] или жидкость [14, 15]. По-видимому, в будущем будет также возможно использовать в качестве подвижной фазы поток ионов или других заряженных частиц.

В качестве неподвижной фазы можно использовать: твердую фазу (адсорбент), жидкую фазу, нанесенную на твердую фазу, газо­вую фазу, расположенную на поверхности твердого тела, в том числе в его микропорах. Неподвижные фазы могут различаться также по природе сорбционного взаимодействия с молекулами разделяемой смеси, которое может заключаться:

О в концентрировании вещества на границе раздела фаз вследствие адсорбции;

О в удержании вещества вследствие хемосорбции;

О в избирательном растворении компонентов смеси - абсорбция;

О в задержании одних растворенных веществ и пропускании других в зависимости от размеров и формы их молекул - молекулярные сита.

В зависимости от природы взаимодействия компонентов с подвижной и неподвижной фазами различают следующие основные типы хроматографии:

• Адсорбционная хроматография (газоабсорбционная и жидкостно-адсорбционная) - основана на различии в адсорбции ве­ществ данным адсорбентом - твердым веществом с развитой поверх­ностью и активными центрами, способными к обратимому взаимо­действию с молекулами разделяемой смеси.

растворимость компонентов смеси в подвижной фазе (газ или жид­кость) и несмешивающейся с ней жидкости, неподвижно закреплен­ной на пористом инертном наполнителе. В равновесных условиях раз­личие в растворимости приводит к различному соотношению концен­траций в обеих фазах, определяемому коэффициентом распределения. Выбирая системы для разделения методом распределительной хрома­тографии, можно ориентироваться на уже известные системы распре­деления, применяемые при экстракционном разделении. Более поляр­ный компонент системы обычно наносят на носитель, а менее поляр­ный служит элюентом. Методом распределительной хроматографии целесообразнее всего проводить разделение соединений, полярность которых слишком велика, чтобы их можно было разделить с помо­щью адсорбционной хроматографии. Однако этим методом можно разделить и неполярные вещества, например многоядерные аромати­ческие углеводороды. Анализ пластификаторов, неионогенных по­верхностно-активных веществ можно провести как с помощью рас­пределительной, так и адсорбционной хроматографии,

• Ионообменная хроматография. Неподвижная фаза - ионит, характеризуемый различными константами ионообменного равнове­сия по отношению к компонентам разделяемой смеси. Применяется в анализе природных и сточных вод, атмосферных осадков, газовых выбросов, технологических растворов и материалов, фармацевтиче­ских препаратов, биологических жидкостей, продовольствия и др. [16]. Анализируемыми объектами могут быть жидкие, твердые и газо­образные образцы (в последнем случае требуется соответствующая подготовка пробы). Метод может применяться для определения как низких, так и высоких концентраций ионов.

подвижной фазой служат полимерные окислители или восстановители (например, смолы с окислительно-восстановительными свойствами, молекулы которых содержат звенья гидрохинона или метиленового голубого), способные активно окислять или восстанавливать компо­ненты подвижной фазы.

• Хромато-мембоанные методы основаны на использовании капиллярных эффектов в пористых гидрофобных средах. В них хро­матографический механизм межфазного обмена совмещается с прин­ципом раздельного прохождения потоков двух фаз через зону массо - обмена - пористые мембраны. Применяются для непрерывного разде­ления веществ в системах жидкость-жидкость и жидкость-газ.

• Электрофорез. Компоненты смеси ионов на твердом носи­теле (например, фильтровальная бумага или колонка с наполнителем, насыщенные проводящим буферным раствором) мигрируют с различ­ными скоростями и разделяются на зоны под действием постоянного или переменного электрического поля, прикладываемого к носителю.

• Гелъ-фильтрапия и гелыгроникающая хроматография ос­нованы на разделении веществ по размерам молекул (молекулярное “просеивание”) с использованием гелей, приготовленных из соедине­ний с известным размером пор или известной пористостью.

• Осадочная хооматогоаФия основана на различной способ­ности разделяемых компонентов выпадать в осадок на твердой непод­вижной фазе [18].

• Полевая (несорбнионяаяУ хроматография - движение кон­центрационных зон хроматографируемых веществ (частиц) в потоке подвижной фазы, которая движется в поперечно направленном поле сил [19]. Ее разновидностью может выступать оптическая хромато­графия [20]. Несмотря на то, что основные уравнения для оценки ха­рактеристик этого метода выводятся на основе лучевой оптической модели, для него действительны такие понятия, как время удержива­ния, селективность, число теоретических тарелок, коэффициент раз­деления, оптимальные условия разделения. Один из примеров исполь­зования метода - определение соотношения между скоростью движе­ния сферических частиц полистирола и интенсивностью приложен­ных радиальных сил при отсутствии каких-либо других воздействий

на поток. Установлено, что радиальная сила максимальна в точке фо­куса луча и пропорциональна энергии лазера и квадрату размера час­тиц при условии, что их диаметр много меньше диаметра лазерного* луча. Теоретически возможно, путем увеличения энергии лазера и уменьшения скорости потока, различать частицы, отличающиеся по диаметру менее чем на 1 %.

По форме проведения процесса различают методы колоноч­ной (микроколоночной), капиллярной и плоскостной хроматографии (рис.3.2). . В колоночном варианте сорбентом заполняют специаль­ные трубки - колонки, а подвижная фаза движется внутри колонки благодаря перепаду давления. В капиллярной хроматографии тонкий слой сорбента нанесен на внутренние стенки капилляра. В плоскост­ной (тонкослойной) хроматографии тонкий слой гранулированного сорбента или пористая пленка наносится на пластинку, перемещение подвижной фазы происходит благодаря капиллярным силам.

Для повышения чувствительности обнаружения широко ис­пользуются методы концентрирования. Весьма перспективны неэлю - ентные хроматографические методы концентрирования, а именно: фронтальная и вытеснительная хроматография, хроматотермография, элюентно-тепловытеснительные варианты и др. [21].

Рис.3.2. Виды хроматографических процессов -55-

Для получения воспроизводимых результатов следует тща­тельно фиксировать условия и режим хроматографирования [22]. За­пись рекомендуется вести следующим образом: марка прибора, тип детектора, длина и внутренний диаметр колонки, газ-носитель и его

Рис.3.3. Схема блоков газового (жидкостного) хроматографа

Принципиальная схема газового или жидкостного хромато­графа показана рис.3.3 - Установка и стабилизация скорости потока газа и очистка газа-носителя и дополнительных газов (если они необ­ходимы для питания детектора), а также измерение скорости потока газа выполняются системой подготовки газов 1. Особенно важное значение имеет установка и стабилизация расхода газа-носителя, ока­зывающего непосредственное влияние на параметры удерживания и размеры пиков на хроматограмме. Дозирующее устройство 2 позволя­ет вводить в поток газа-носителя непосредственно перед колонкой определенное количество анализируемой смеси в газообразном со­стоянии. Поток газа-носителя вносит анализируемую пробу в колонку 3, где осуществляется разделение смеси. Выходящий из колонки газо­вый поток содержит зоны отдельных компонентов, разделенные зо­нами чистого газа-носителя и отличающиеся от них по электропро­водности, плотности и другим параметрам. Измерение этих парамет­ров на выходе из колонки непрерывно регистрируется детектором 4, который преобразует разницу в физических или физико-химических свойствах бинарных смесей компонент - газ-носитель по сравнению с чистым газом-носителем в электрический сигнал. Величина сигнала зависит как от природы компонента, так и от содержания его в анали­зируемой смеси. Необходимые температурные режимы колонки, де­тектора и дозирующих устройств достигаются помещением их в тер­мостат, управляемый терморегулятором 5. Сигнал детектора, преоб­разованный усилителем 7, записывается в виде хроматограммы авто­матическим потенциометром 8. Конструктивно испаритель, термо­стат, колонку и детектор объединяют’ в блоке анализатора.

Если хроматограф используется для препаративных целей, в него входит узел 6 для сбора отдельных компонентов (коллектор фракций) [23]. Устройства для сбора отдельных фракций необходимы для того, чтобы можно было определить растворенные составные час­ти пробы. Однако при наличии современных чувствительных детек­торов они практически не нужны; только в особых случаях (например, при измерении радиоактивности и др.) собирают отдельные фракции, либо имеющие постоянный объем, либо собранные за определенный промежуток времени.

Хроматографический анализ прежде всего дает возможность получить информацию о числе компонентов в исследуемой смеси. Обычно считается, что каждый пик на хроматограмме соответствует отдельному компоненту, а площадь каждого пика характеризует отно­сительное содержание данного компонента. Следует учитывать, что число пиков на хроматограмме смеси неизвестного состава необяза­тельно соответствует числу содержащихся в ней компонентов, по­скольку из-за совпадения характеристик удерживания пики соедине­ний могут налагаться, некоторые вещества при данных условиях ана­лиза могут распадаться или необратимо удерживаться в колонке. Ос­новными характеристиками пиков являются удаленность их центров тяжести от точки, отмечающей момент ввода образца в хроматограф {tg) а также ширина пика Шо5 (рис.3.4, 3.5). Положение пиков можно характеризовать либо временем выхода соответствующих компонен­тов образца, либо удерживаемым объемом. Степень хроматографиче­
ского разделения обычно оценивают отношением расстояния между максимумами пиков двух веществ к сумме их полуширины.

Качественный состав смеси определяют путем сопоставления времен удерживания данного компонента и эталона - вещества из­вестной структуры. При строгом соблюдении всех условий анализа время удерживания является такой же физико-химической характери­стикой вещества, как его плотность, показатель преломления и т. д.

Рис.3.5. Определение пара­метров не полностью разде­ленных пиков

Обычно используют так называемое исправленное время удерживания tR' - интервал между выходом максимумов пиков несор - бирующегося вещества и исследуемого соединения (рис.3.4). При по­стоянной скорости движения диаграммной ленты времена удержива­ния обычно описывают в единицах длины. Совпадение времен удер­живания эталона и определяемого соединения может указывать на их идентичность. Эталон чаще всего добавляется в исследуемую смесь (метод метки), при этом число пиков на хроматограмме не должно изменяться, а интенсивность пика одного из компонентов должна уве­личиться. Идентификация считается достаточно достоверной, если такое совпадение наблюдается при использовании по крайней мере трех неподвижных жидких фаз различной полярности.

А

Рис, 3.4. Определение параметров хроматографического пика: 1 - ввод пробы; 2 - пик несорбирую - щегося компонента; 3 - пик сор-

бирующегося компонента

Для количественного определения разделенных компонентов зависимость сигнала детектора (отклонение показаний самописцев или прибора индикатора) от концентрации компонента устанавливают с помощью калибровки. При этом фиксируют зависимость высоты пика, произведения высоты на время удерживания или, чаще всего, площади пика от количества стандартного вещества, подаваемого в Колонку. Расчет производится путем деления избранного параметра Пика на сумму соответствующих параметров всех пиков на хромато­грамме:

Сл = • 100% ,

Однако такой метод дает правильные результаты только при близком химическом строении анализируемых веществ (изомеров или членов одного гомологического ряда). При точных расчетах вводят попра­вочные коэффициенты, которые определяют при хроматографирова­нии специально приготовленных смесей известного состава.

Площадь хроматографического пика П - Шо 5 • Н

где Н - высота пика; Шо,5 - ширина пика на половине его высоты.

При расчете площадей неполностью разделенных пиков (рис.3.5) применяют соотношение:

П = 0,5Ш0,5 *2Н.