Способы получения хроматограмм

В зависимости от способа получения хроматограмм различают внутренние и внешние хроматограммы. В случае внутренней хроматограммы разделяемые компоненты пробы проходят разное расстояние за одинаковое время. После разделения они все еще находятся на неподвижной фазе и там же детектируются. Этот вид хроматограмм типичен для плоскостных вариантов, таких, как бумажная или тонкослойная хроматография. Неподвижная фаза расположена на пластинке, а подвижная движется через неподвижную за счет капиллярных сил или под влиянием гравитации. )т.е. распределение разделяемых веществ в виде отдельных полос (зон) вдоль колонки представляет собой внутреннюю хроматография (см. рис. а).

Внешние хроматограммы получают в колоночной хроматографии— в газовой, высокоэффективной жидкостной или флюидной хроматографии. В этом случае все компоненты проходят одинаковый путь по колонке, и благодаря специфическим взаимодействиям с неподвижной фазой они через различное время выходят из колонки и затем могут быть детектированы. Графическое изображение ( часто получаемое с помощью самописца или ЭВМ) распределения веществ в элюата называют внешней хроматограммой, или просто хроматограммой. (см. рис. б).

Существует три вида хроматографии, различающихся способом проведения эксперимента и назначением: элюентная (или проявительная), фронтальная и вытеснительная.

Элюентная ионообменная хроматография

Рассмотрим методику этого вида хроматографии на примере разделения смеси Cl^-, Br^- и I^- - ионов с использованием сильноосновного анионита в NO₃^- -форме. Тогда в качестве элюента следует применять раствор NaNO₃. В верхнюю часть колонки вводят небольшой объем пробы, содержащей NaCl, NaBr и NaI, растворенных в элюенте. Затем через колонку пропускают элюент. Вытекающий из колонки элюат анализируют на содержание Cl^-, Br^- и I^- - ионов.

На рис. 9 приведена хроматограмма разделения смеси указанных ионов. Следует отметить, что в результате хроматографирования компоненты смеси были получены не в виде индивидуальных веществ, а в виде смеси с нитратом натрия. Необходимость изменения концентрации элюента в процессе хроматографирования (градиентное элюирование) объясняется следующими обстоятельствами. Если использовать только 2 М раствор NaNO₃ (изократическое элюировние), тогда хроматографические пики хлорид- и бромид- ионов будут перекрываться и разделение будет неполным. Применение только 0,5 М раствора NaNO₃ смещает хроматографическую полосу иодида вправо и существенно размывает её, что затрудняет определение низких концентраций иодид-ионов.

Рис. 1. . Выходные кривые элюирования галогенид-ионов.

Фронтальная ионообменная хроматография

Первым этапом проведения эксперимента в данном виде хроматографии является перевод ионита в форму того иона, у которого сорбционная способность выражена в меньшей степени, чем у любого из ионов смеси, подлежащей разделению. Затем через колонку пропускают раствор пробы. В колонку не подают никаких других растворов, кроме раствора разделяемой смеси. В отличие от элюентной хроматографии здесь проба поступает непрерывно.

На рис. 10 приведена хроматограмма фронтального разделения смеси хлорид-, бромид- и иодид- ионов на анионите в ацетатной форме. Так как коэффициент распределения ацетат- ионов меньше, чем любого из галогенид-ионов, он вытесняется из фазы ионита и его фронт продвигается по колонке, опережая хроматографические зоны Cl^-, Br^-, и I^-. Почти все ацетат- ионы вытесняться из колонки, прежде чем в элюате появится какой-либо галогенид- ион. Вслед за ацетат- ионами по колонке перемещается фронт хлорид- ионов как наименее сорбируемых по сравнению с бромидом и иодидом. Теперь хлорид – ионы выполняют функцию вытеснителя. Поэтому концентрация бромид – ионов в элюате быстро увеличивается, в то время как содержание хлорида уменьшается. По истечении некоторого промежутка времени Cl^- и Br^- - ионы выходят из колонки одновременно. С этого момента указанную смесь ионов вытесняют иодид- ионы. Вначале содержание иодида в элюате возрастает, а затем выходит на "плато" и в последних порциях элюента присутствую все три галогенид – иона. Необходимо отметить, что общая концентрация электролитов в элюате равна сумме первоначальных концентраций галогенид- ионов в хроматографируемом растворе пробы. Поэтому в конечном итоге элюат будет иметь тот же состав, что и анализируемый раствор.

Рис. 2. Выходные кривые для галогенид-ионов, полученные методом фронтальной хроматографии.

Метод фронтальной хроматографии позволяет выделить раствор только одного наименее сорбируемого компонента смеси. В приведенном примере – только Cl^- - ионы.

Вытеснительная ионообменная хроматография

Указанный вид хроматографии имеет сходство как с элюентным, так и с фронтальным методом. В начале ионит переводят в форму иона, имеющего коэффициент распределения меньший по сравнению с тем же параметром для любого из ионов разделяемой смеси. Затем в колонку вводят смесь компонентов, которые необходимо разделить. Фиксированный объем вводимой пробы в данном методе должен быть больше, чем в элюентной хроматографии. Оптимальным считается такое содержание компонентов, которое отвечает одной десятой обменной емкости ионита, находящегося в колонке.

После ввода пробы через колонку пропускают элюент. В качестве элюента используют раствор, в составе которого имеются ионы вытеснителя с бóльшим коэффициентом распределения, чем у любого из ионов пробы. В качестве примера (рис. 11) можно рассмотреть разделение ионов Li⁺ и Na⁺ (сернокислые соли) с использованием катионита в Н⁺ - форме. После того, как содержание ионов Li⁺ и Na⁺ в растворе, пропущенном через колонку, составит ~ 20 % обменной емкости ионита, колонку промывают раствором сульфата аммония. Как правило, сульфокислотный катионообменник лучше сорбирует ионы Н⁺, чем Li⁺. Однако, если ионный обмен протекает в присутствии сульфат – ионов происходит обращение селективности. Ионы Н⁺ в фазе катионообменника образуют с SO₄^2- - ионами гидросульфат (HSO₄^-) и равновесие ионного обмена сдвигается. Поэтому в рассматриваемой системе ионы Н⁺ становятся наименее сорбируемыми и вытесняются с сорбента ионами Li⁺ и Na⁺, передвигающимися по колонке вслед за ионами Li⁺. Ион NH₄⁺, имеющий наибольший коэффициент распределения из всех вышеназванных катионов, перемещается по колонке вслед за ионами Li⁺ и Na⁺.

Рис. 3. Выходные кривые при разделении ионов Li⁺ и Na⁺ методом вытеснительной хроматографии.

По указанным причинам первые порции элюата содержат H₂SO₄, причем её концентрация равна концентрации подаваемого в колонку раствора (NH₄)₂SO₄. Ионы Na⁺ и Li⁺ образуют сначала смешанную зону, а затем постепенно разделяются, поскольку Li⁺, имеющий меньший коэффициент распределения, движется по колонке быстрее, чем ионы Na⁺.

Таким образом, после того как ионы Н⁺ будут вытеснены из колонки, в элюате начинают появляться ионы Li⁺. Можно собрать порции элюата, которые содержат только указанные ионы. После вытеснения всех ионов Li⁺ в элюате появятся ионы Na⁺. Последними выходят из колонки ионы NH₄⁺. Если объем пробы, введенный в колонку, будет небольшим, ионы NH₄⁺ окажутся в элюате раньше, чем из колонки выйдут ионы Li⁺. В таком случае получить раствор, содержащий только ионы Na⁺, не представляется возможным.

Из рассмотренных трех видов хроматографии только элюентная хроматография позволяет количественно разделять смеси на составляющие её компоненты. Второе преимущество этого способа заключается в том, что при серийных анализах проб не требуется регенерация колонки (сорбент непрерывно регенерируется). В рассмотренном выше примере, анионит после разделения находится в исходной нитратной форме. В колонку вводятся небольшие объемы проб. Во всех фракциях элюата присутствует сравнительно высокое содержание элюента.

Вытеснительная хроматография, единственная из вышеприведенных видов хроматографии, позволяет выделить компоненты смеси в чистом виде. Поэтому этот вид хроматографии используется, главным образом, для препаративных целей. К недостаткам следует отнести необходимость регенерации колонки перед каждым последующим разделением.

Методом фронтальной хроматографии невозможно разделить компоненты смеси, но можно получить в чистом виде один наименее сорбируемый компонент.

Таким образом, для решения аналитических задач используется элюентный метод, он имеет следующие преимущества:

– Дает наиболее полное разделение, поскольку зоны сорбатов разделены зонами элюент.

– Сорбент непрерывно регенерируется.

– Параметры удерживания хорошо воспроизводимы.