Хроматографические методы анализа. Хроматография

Методы анализа содержания загрязняющих веществ в объектах окружающей среды

Лекция 8

1. Химико – аналитические методы. Основные принципы определения токсикантов

Для получения объективной информации о состоянии и об уров­не загрязнения различных объектов окружающей среды (атмос­ферного воздуха, воды, почвы) необходимо располагать надеж­ными методами анализа. Эффективность любого метода оценивается совокупностью таких показателей, как селективность и точность определения, воспроизводимость получаемых результатов, чувствительность определения, пределы обнаружения элемента и экспрессность выполнения анализа. Кроме того, методы должны обеспечивать проведение анализа в широком интервале концент­раций элементов (включая следовые). Это должно учитываться при выборе методов и средств наблюдений.

В настоящее время содержание загрязняющих веществ в объектах окружающей среды определяется различными методами: фотометрическим, фотоколориметрическим, спектрофотометрическим, турбидиметрическим, нефелометрическим, флуориметрическим, полярографическим, хроматографическим и др.

Фотометрический метод основан на сравнении оптических плотностей исследуемой и контрольной жидкостей. Разновидностями фотометрического метода являются фотоколориметрический, спектрофотометрический, турбидиметрический, нефелометрический ифлуориметрический (люминесцентный) методы. Современные фотоколориметры отечественного производства марок ФЭК-М, ФЭК-Н-5, ФЭК-Н-57, ФЭК-56, ФК-110, ФК-120 и другие представляют собой двухлучевые приборы с двумя фотоэлементами и имеют принципиальные одинаковые схемы. Чувствительность определения зависит от природы соединений и составляет для неорганических соединений 0,04... 20 мкг/мл пробы и для органических соединений — 0,02... 10 мкг/мл пробы.

Спектрофотометрический метод основан на тех же принципах, что и фотоколориметрический. Различие состоит в том, что в спектрофотометре используется поглощение монохроматического света, жидких сред применяются спектрофотометры марок СФ-4, СФ-4а, СФД-2, СФ-2М, СФ-5, СФ-8, СФ-9, СФ-10, СФ-14, СФ-19,С-605 и др. Чувствительность определения органических и неорганических соединений находится на уровне 0,08... 20 мкг/мл пробы

Турбидиметрический метод применяется для определения количества веществ, которые находятся во взвешенном состоянии, посредством измерения интенсивности прохождения света через контролируемый раствор пробы. В качестве приборов могут быть использованы спектрофотометры любых марок. Для увеличения их чувствительности следует применять синий светофильтр. Турбиди­метрический метод пригоден для измерения концентраций, уро­вень которых составляет несколько частиц на миллион.

Нефелометрический метод отличается от турбидиметрического тем, что вэтом случае измеряется не прошедший через суспензию свет, а рассеянный, поэтому данный метод является более чув­ствительным для сильноразбавленных суспензий. Нефелометрический метод при благоприятных условиях позволяет получить точность, сравнимую с точностью колориметрических методов.

Возможность использования флуориметрического (люминесцентного) метода для аналитических целей обусловлена тем, что неко­торые вещества при воздействии на них ультрафиолетового излучения флуоресцируют. Этот метод имеет ограниченное применение. Точным и чувствительным он является для интенсивно флуоресцирующих веществ.

Полярографический метод основан на восстановлении анализи­руемого соединения на ртутном капающем электроде и используется, как правило, при анализах следовых количеств веществ, находящихся в разных состояниях. Для анализа используют полярографы ППТ-1, ПУ-1, ПЛ-2, ПА-3, ПО-5122, чувствительность определения концентраций органических и не органических соединений которых составляет 0,05... 1мкг/мл пробы.

Спектрально-химический метод сочетает в себе две последовательные операции:

1) соосаждение групп элементов из растворов с помощью 2,4-динитроанилина; отделение их и соосаждение из фильтра молибдена;

2) спектральное определение соосажденных элементов в зольном остатке с использованием соответствующих искусственных стандартов.

В основе спектрально-эмиссионного метода лежит излучение световой энергии атомами, ионами и реже молекулами. Излучаемые атомами и ионами эмиссионные линейчатые спектры не зависят от вида химических соединений, из которых состоит исследуемое вещество, в связи, с чем этот анализ применяется для определения элементарного состава проб воды и почвы. Универсальность, высокая чувствительность, хорошая точность и быстрота определения обусловили широкое распространение этого метода. При фотографической регистрации спектра метод позволяет одновременно анализировать до 30 элементов в одной пробе. В пробах почвы и воды могут быть определены очень низкие концентрации многих элементов (1... 10%).

Наиболее эффективным способом получения сведений о загрязнении атмосферы в большом масштабе являетсяиспользование экологических спутников. Полученная сих помощью информация может быть использована в сочетании реперными даннымилокальных измерений в различных точках земного шара, что позволит повысить точность дистанционного зондирования. В настоящее время единственным микрокомпонентом атмосфе­ры Земли, измерение концентрации которого производится в те­чение многих лет, является СО₂. По результатам измерения можно рассчитать последствия нарушения экологического равновесия при сжигании горючих ископаемых и достаточно точно оценить масштабы воздействия. Однако для оценки последствий загрязнения нужно иметь полную картину процессов, происходящих с микро­компонентами атмосферы.

Дистанционные методы базируются на измерении и интерпрета­ции характеристик электромагнитных полей на различных рассто­яниях от исследуемого объекта. Принципиально новые возможности, которые они открывают, связаны с наблюдением атмосферы с искусственных спутников Земли, пилотируемых кораблей и ор­битальных станций, выполнением измерений в непрерывном ре­жиме при изменяющихся условиях, в больших объемах воздуха на огромных территориях (десятки и сотни квадратных километров) с пространственным разрешением в несколько десятков метров.

Методы абсорбционной спектрометрии широко применяются для дистанционных измерений концентрации микрокомпонентов ат­мосферы. За последние 15 - 20лет получил распространение ме­тод спектрометрии солнечного излучения, в частности определе­ния микрокомпонентов тропосферы и стратосферы по данным аэростатных измерений солнечной инфракрасной радиации. Воз­можности регистрации спектра Солнца открыли перспективы длявнедрения метода «затменного» зондирования стратосферы и мезосферы, а также дляоценки фоновых концентраций СО, СН₄, NO₂, N₂O в вертикальном столбе атмосферы по спектрам солнеч­ного излучения на уровне Земли.

Дистанционный метод определения концентрации оксида азо­та предназначен для измерения содержания NO₂ на фоне рассеян­ной солнечной радиации в атмосфере городов, в выбросах от пред­приятий, из отдельных труб заводов, а также из вулканов.

Хроматография (от греч. chroma, chromatos - цвет, краска), физико-химический метод разделения и анализа смесей, основанный на распределении их компонентов между двумя фазами - неподвижной и подвижной (элюент), протекающей через неподвижную. Хроматографический анализ является критерием однородности вещества: если каким-либо хроматографическим способом анализируемое вещество не разделилось, то его считают однородным (без примесей).

Принципиальным отличием хроматографических методов от других физико-химических методов анализа является возможность разделения близких по свойствам веществ. После разделения компоненты анализируемой смеси можно идентифицировать (установить природу) и количественно определять (массу, концентрацию) любыми химическими, физическими и физико-химическими методами.

История метода:

Хроматографический метод анализа был впервые применён русским учёным-ботаником Михаилом Семеновичем Цветом в 1900 году. Он использовал колонку, заполненную карбонатом кальция для разделения пигментов растительного происхождения. Первое сообщение о разработке метода хроматографии было сделано Цветом 30 декабря 1901 года на XI Съезде естествоиспытателей и врачей в С.-Петербурге. Первая печатная работа по хроматографии была опубликована в 1903 году, в журнале Труды Варшавского общества естествоиспытателей. Впервые термин хроматография появился в двух печатных работах Цвета в 1906 году, опубликованных в немецком журнале Berichte der Deutschen Botanischen Gesellschaft. В 1907 году Цвет демонстрирует Немецкому Ботаническому обществу образец хроматографа — прибора для осуществления процесса хроматографии. В 1910-1930 годы метод был незаслуженно забыт и практически не развивался. В 1952 году Дж. Мартину и Р. Синджу была присуждена Нобелевская премия по химии за создание метода распределительной хроматографии. С середины 20 века и до наших дней хроматография интенсивно развивалась и стала одним из наиболее широко применяемых методов анализа.

Хроматография широко применяется в лабораториях и в промышленности для качественного и количественного анализа многокомпонентных систем, контроля производства, особенно в связи с автоматизацией многих процессов, а также для препаративного (в т. ч. промышленного) выделения индивидуальных веществ (например, благородных металлов), разделения редких и рассеянных элементов.

В некоторых случаях для идентификации веществ используется хроматография в сочетании с другими физико-химическими и физическими методами, например с масс-спектрометрией, ИК-, УФ-спектроскопией и др. Для расшифровки хроматограмм и выбора условий опыта применяют ЭВМ.

Основные достоинства хроматографического анализа:

· экспрессность; высокая эффективность; возможность автоматизации и получение объективной информации;

· сочетание с другими физико-химическими методами;

· широкий интервал концентраций соединений;

· возможность изучения физико-химических свойств соединений;

· осуществление проведения качественного и количественного анализа;

· применение для контроля и автоматического регулирования технологических процессов.

В зависимости от природы взаимодействия, обусловливающего распределение компонентов между элюентом и неподвижной фазой, различают следующие основные виды хроматографии - адсорбционную, распределительную, ионообменную, эксклюзионную (молекулярно-ситовую) и осадочную.

Адсорбционная хроматография основана на различии сорбируемости разделяемых веществ адсорбентом (твёрдое тело с развитой поверхностью); распределительная хроматография - на разной растворимости компонентов смеси в неподвижной фазе (высококипящая жидкость, нанесённая на твёрдый макропористый носитель) и элюенте; ионообменная хроматография - на различии констант ионообменного равновесия между неподвижной фазой (ионитом) и компонентами разделяемой смеси; эксклюзионная (молекулярно-ситовая) хроматография - на разной проницаемости молекул компонентов в неподвижную фазу (высокопористый неионогенный гель). Осадочная хроматография основана на различной способности разделяемых компонентов выпадать в осадок на твёрдой неподвижной фазе.

В соответствии с агрегатным состоянием элюента различают:

· газовую хроматографию ГХ (GC)

· жидкостную хроматографию ВЭЖХ (HPLC).

В зависимости от агрегатного состояния неподвижной фазы газовая хроматография ГХ (GC) бывает газо-адсорбционной (неподвижная фаза - твёрдый адсорбент) и газожидкостной (неподвижная фаза - жидкость), а жидкостная хроматография - жидкостно-адсорбционной (или твёрдо-жидкостной) и жидкостно-жидкостной.

Дата добавления: 2013-12-12