Лекция 9-10

Рисунок - Масс-спектрометр Agilent 7500 (США)

Таблица - Подвижные, неподвижные фазы и детекторы различных хроматографических методов анализа

Рисунок - Схема жидкостного хроматографа

В жидкостной хроматографии очень важное значение имеет ин­жектор, т.к. впрыск в систему должен быть очень быстрым и плавным во избежание пертурбаций в динамическом режиме, установленном в колонке и детекторе. Основной проблемой данного процесса является высокое давление в хроматографической колонке, поэтому сам про­цесс впрыска затруднен, к тому же в таких микроскопических количе­ствах и с такой точностью. Это возможно лишь с применением особых клапанов. Заданный объем исследуемого вещества впрыски­вается в особый контур, где далее, даже при атмосферном давлении, происходит его смешение с элюентом.

Хроматографической колонкой служит прямая трубка, сделанная из нержавеющей стали, откалиброванная и покрытая внутри стеклом или другим прочным антикоррозийным материалом. Длина такой трубки от 3 до 25 см, диаметр - от 0,5 до 5 мм. Неподвижная фаза ко­лонки зафиксирована пористыми дисками в обоих концах. Поток элю­ента не должен превышать нескольких миллилитров в минуту. Неко­торые производители выпускают колонки длиной до 5 см и диаметром 0,3 мм, поток в таких приборах не превышает несколько микролитров в минуту. В связи с тем, что для таких микроколонок требуется совсем небольшое количество исследуемого вещества, и, соответственно, рас­творителя, стационарная фаза и насосы должны быть адаптированы для такой ювелирной работы.

Такие микроколонки эффективны не только своей компактно­стью и экономичностью, но и точностью, воспроизводимыми резуль­татами, высокой разрешающей способностью, т.к. в таких маленьких объемах и при таком маленьком диаметре диффузия сводится к мини­муму.

В целях экономии и продления срока эксплуатации хроматогра-фических колонок используют также небольшие (от 0,4 до 1 см дли­ной), гораздо более дешевые предварительные колонки, наполненные тем же наполнителем, что и стационарная фаза основной колонки, подлежащие более частой смене. Для продления срока эксплуатации основной колонки рекомендуется также использовать фильтры для элюента с пористостью менее 0,5 мкм.

Различают также колоночную и плоскостную хроматографию. В колоночной сорбентом заполняют специальные трубки - колонки, а подвижная фаза движется внутри колонки благодаря перепаду давления. Разновидность колоночной хроматографии - капиллярная, когда тонкий слой сорбента наносится на внутренние стенки капиллярной трубки. Плоскостная хроматография подразделяется на тонкослойную и бумажную. В тонкослойной хроматографии тонкий слой гранулированного сорбента или пористая плёнка наносится на стеклянную или металлическую пластинки; в случае бумажной хроматографии используют специальную хроматографическую бумагу. Тонкослойная (ТСХ) и бумажная хроматография используются для анализа жиров, углеводов, белков и др. природных веществ и неорганических соединений.

Ряд видов хроматографии осуществляется с помощью приборов, называемых хроматографами, в большинстве из которых реализуется проявительный вариант хроматографии.Хроматографы используют для анализа и для препаративного (в т. ч. промышленного) разделения смесей веществ. При анализе разделённые в хроматографической колонке вещества вместе с элюентом попадают в установленное на выходе из колонки специальное устройство – детектор, регистрирующее их концентрации во времени.

Полученную в результате этого выходную кривую называют хроматограммой. Для качественного хроматографического анализа определяют время от момента ввода пробы до выхода каждого компонента из колонки при данной температуре и при использовании определённого элюента. Для количественного анализа определяют высоты или площади хроматографических пиков с учётом коэффициентов чувствительности используемого детектирующего устройства к анализируемым веществам.

В соответствии с природой детектора и механизмом возникновения сигнала различают химические, физические, физико-химические, биологические и др.

Методы хроматографии	Подвижная фаза	Неподвижная фаза	Детекторы
Газовая адсорбционная (ГХ)	Газ (гелий, азот, водород, аргон, воздух)	Неспецифические сорбенты (угли). Полярные – SiO2^.nН2О; Al2O3. Молекулярные сита или цеолиты – алюмосиликаты щелочных металлов, сополимеры стирола и дивинилбензола	Катарометр, пламенно-ионизационный (ПИД), по захвату е, термоионный, аргонный; масс-селективный (МСД), атомно-эмиссионный, инфракрасный, ИК-Фурье спектрометр
Газовая распределительная (ГЖХ)	Газ (гелий, азот, водород, аргон, воздух)	Пленки жидких сорбентов различной полярности нанесены на твердый носитель или стенки колонки: полиэтиленгликоли, силиконовые масла, эфиры гликолей
Жидкостная сорбционная (ЖЖХ, ВЭЖХ, ЖАХ)	Водно-органические буферные растворы – элюенты: ацетонитрил, этанол, вода, гексан, их смеси	Пленки жидких сорбентов различной полярности нанесены на твердый носитель или стенки колонки: полиэтиленгликоли, силиконовые масла, эфиры гликолей. Полярные – SiO2^.nН2О; Al2O3. Молекулярные сита или цеолиты – алюмосиликаты щелочных металлов, сополимеры стирола и дивинилбензола	Электрохимический, многоволновый оптический; по показателю преломления; флюоресцентный, УФ-, ИК-, видимый спектрофотометр; масс-спектрометр
Ионо-обменная	Водные растворы	Катиониты, аниониты, амфолиты	Титрометрия
Молекулярно-ситовая	Растворы мономеров, полимеров	Молекулярные сита органической и неорганической природы	Масс-спектрометр, вискозиметр
Плоскостная ЖЖХ, ЖАХ	Органические и неорганические растворители	SiO2^.nН2О; Al2O3, гидрофильная и гидрофобная бумага	Оптические, электрохимические

Жидкостный хроматограф с диодно-матричным детектированием Аgilent - 1100 (США)	Газовый хроматограф с масс-спектрометрич. и пламенно-ионизац. детектированием Agilent 6890/5973 (США)

Рисунок – виды хроматографов

Хромато- масс- спектрометрия, метод анализа смесей главным образом органических веществ и определения следовых количеств веществ в объеме жидкости. Метод основан на комбинации двух самостоятоятельных методов - хроматографии и масс-спектрометрии. С помощью первого осуществляют разделение смеси на компоненты, с помощью второго - идентификацию и определение строения в-ва, количеств. анализ. Известны 2 варианта хромато-масс-спетрометрии, представляющие собой комбинацию масс-спектрометрии либо с газо-жидкостной хроматографией (ГЖХ), либо с высокоэффективной жидкостной хроматографией.

Первые исследования аналитические возможностей хромато-масс-спетрометрии были проведены в 1950-х гг., первые промышленные приборы, объединяющие газо-жидкостной хроматограф и масс-спектрометр, появились в 60-х гг. Принципиальная совместимость этих двух приборов обусловлена тем, что в обоих случаях анализируемое вещество находится в газовой фазе, рабочие температурные интервалы одинаковы, пределы обнаружения (чувствительность) близки. Различие состоит в том, что в ионном источнике масс-спектрометра поддерживается высокий вакуум (10^-5 — 10^-6 Па), тогда как давление в хроматофафич. колонке 10⁵ Па. Для понижения давления используют молярный сепаратор, который одним концом соединен с выходом хроматофафической колонки, а другим - с ионным источником масс-спектрометра. Молярный сепаратор удаляет из газового потока, выходящего из колонки, основная часть газа-носителя, а органическое вещество пропускает в масс-спектрометр. При этом давление на выходе колонки понижается до рабочего давления в масс-спектрометре.
Принцип действия молярных сепараторов основан либо на различии подвижности молекул газа-носителя и анализируемого вещества, либо на их различной проницаемости через полупроницаемую мембрану. В промышленности чаще всего применяют эжекторные сепараторы, работающие по первому принципу. Одностадийные сепараторы этого типа содержат две форсунки с отверстиями небольшого диаметра, которые установлены точно напротив друг друга. В объеме между форсунками создается давление 1,33 Па. Газовый поток из хроматофафической колонки через первую форсунку со сверхзвуковой скоростью попадает в область вакуума, где молекулы распространяются со скоростями, обратно пропорциональными их массе. В результате более легкие и быстрые молекулы газа-носителя откачиваются насосом, а более медленные молекулы органического вещества попадают в отверстие второй форсунки, а затем в ионный источник масс-спектрометра. Некотырые приборы снабжены двухстадийным молярным сепаратором, снабженным еще одним подобным блоком форсунок. В объеме между ними создается высокий вакуум. Чем легче молекулы газа-носителя, тем эффективнее они удаляются из газового потока и тем выше обогащение органическим веществом.

Наиболее удобный для хромато-масс-спетрометрии газ-носитель - гелий. Эффективность работы сепаратора, т. е. отношение количества органического вещества в газовом потоке, выходящем из колонки, к его кол-ву, поступающему в масс-спектрометр, в значит. степени зависит от расхода газа-носителя, попадающего в сепаратор. При оптимальном расходе 20-30 мл/мин удаляется до 9(3% газа-носителя, а в масс-спектрометр поступает более 60% анализируемого в-ва. Такой расход газа-носителя типичен для насадочных колонок. В случае использования капиллярной хроматофафич. колонки расход газа-носителя не превышает 2-3 мл/мин, поэтому на ее выходе в газовый поток добавляют дополнит, кол-во газа-носителя, чтобы скорость потока, поступающего в мол. сепаратор, достигла 20-30 мл/мин. Тем самым обеспечивается наилучшая эффективность мол. сепаратора. Гибкие кварцевые капиллярные колонки могут вводиться непосредственно в ионный источник. В этом случае ионный источник должен быть обеспечен мощной откачивающей системой, поддерживающей высокий вакуум.
В масс-спектрометрах, соединенных с газовыми хроматографами, применяется ионизация электронным ударом, химическая или полевая. Хроматографич. колонки должны содержать труднолетучие и термостабильные стационарные жидкие фазы, чтобы масс-спектр их паров не налагался на спектр анализируемого в-ва.

Анализируемое в-во (обычно в р-ре) вводится в испаритель хроматографа, где мгновенно испаряется, а пары в смеси с газом-носителем под давлением поступают в колонку. Здесь происходит разделение смеси, и каждый компонент в токе газа-носителя по мере элюирования из колонки поступает в мол. сепаратор. В сепараторе газ-носитель в осн. удаляется и обогащенный орг. в-вом газовый поток поступает в ионный источник масс-спектрометра, где молекулы ионизируются. Число образующихся при этом ионов пропорционально кол-ву поступающего в-ва. С помощью установленного в масс-спектрометре датчика, реагирующего на изменение полного ионного тока, записывают хроматограммы. Т. обр. масс-спектрометр можно рассматривать как универсальный детектор к хроматографу. Одновременно с записью хроматограммы в любой ее точке, обычно на вершине хроматографич. пика, м. б. зарегистрирован масс-спектр, позволяющий установить строение в-ва.

Важное условие работы прибора - быстрая запись масс-спектра, к-рый должен регистрироваться за время, гораздо меньшее, чем время выхода хроматографич. пика. Медленная запись масс-спектра может исказить соотношение интенсивностей пиков в нем. Скорость регистрации массспектра (скорость сканирования) определяется масс-анализатором. Наименьшее время сканирования полного масс-спектра (неск. миллисекунд) обеспечивает квадрупольный анализатор. В совр. масс-спектрометрах, снабженных ЭВМ, построение хроматограмм и обработка масс-спектров производится автоматически. Через равные промежутки времени по мере элюирования компонентов смеси регистрируются масс-спектры, количеств. характеристики к-рых накапливаются в памяти ЭВМ. Для каждого сканирования производится сложение интенсивностей всех регистрируемых ионов. Т. к. эта суммарная величина (полный ионный ток) пропорциональна концентрации в-ва в ионном источнике, то ее используют для построения хроматограммы (эта величина откладывается по оси ординат, по оси абсцисс - время удерживания и номер сканирования). Задавая номер сканирования, можно вызвать из памяти масс-спектр в любой точке хроматограммы.
Как описано выше, м. б. проанализированы смеси в-в, достаточно хорошо разделяемые на подходящих колонках. Иногда удается исследовать и неразрешенные хроматографич. пики. Исследуемые в-ва должны быть термически стабильны, хроматографически подвижны в интервале рабочих т-р колонки, легко переводиться в паровую фазу при т-ре испарителя. Если в-ва не удовлетворяют этим требованиям, их можно химически модифицировать, напр. силилированием, алкилированием или ацилированием гидрокси-, карбокси-, меркапто-, аминогрупп.
Чувствительность хромато-масс-спетрометрии (обычно 10^-6-10^-9 г) определяется чувствительностью детектора масс-спектрометра. Более чувствительна (10^-12-10^-15 г) разновидность хромато-масс-спетрометрии - массфрагментография, наз. также селективным ионным или многоионным детектированием. Суть ее состоит в том, что запись хроматограмм осуществляется не по полному ионному току, а по наиб. характерным для данного в-ва ионам. Этот вид хромато-масс-спетрометрии используют для поиска, идентификации и количеств. анализа в-ва с известным масс-спектром в составе сложной смеси, напр. при количеств. определении следов в-в в больших объемах биол. жидкостей (медицина, фармакология, токсикология, допинг-контроль, биохимия). Осуществляют масс-фрагментографию на хромато-масс-спектрометрах с использованием спец. устройства - многоионного детектора либо с помощью ЭВМ, к-рая может строить хроматограммы по одному или неск. ионам. Такая хроматограмма, в отличие от обычной, содержит пики лишь тех компонентов, в масс-спектрах к-рых есть такие ионы. Анализ проводят с применением внутр. стандарта, в качестве к-рого часто используют аналог искомого в-ва, меченный стабильными изотопами (²Н, ¹³С, ¹⁵N, ¹⁸O).

Другой вариант хромато-масс-спетрометрии заключается в сочетании высокоэффективной жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии. Метод предназначен для анализа смесей труднолетучих, полярных в-в, не поддающихся анализу методом ГЖХ. Для сохранения вакуума в ионном источнике масс-спектрометра необходимо удалять р-ритель, поступающий из хроматографа со скоростью 0,5-5 мл/мин. Для этого часть жидкого потока пропускают через отверстие в неск. мкм, в результате чего образуются капли, к-рые далее попадают в обогреваемую зону, где большая часть р-рителя испаряется, а оставшаяся вместе с в-вом попадает в ионный источник и ионизируется химически.

В ряде пром. приборов реализован принцип ленточного транспортера. Элюат из колонки попадает на движущуюся ленту, к-рая проходит через обогреваемую ИК излучением камеру, где испаряется р-ритель. Затем лента с в-вом проходит через область, обогреваемую др. нагревателем, где испаряется анализируемое в-во, после чего оно поступает в ионный источник и ионизируется. Более эффективный способ сочетания высокоэффективного газо-жидкостного хроматографа и масс-спектрометра основан на электро- и термораспылении. В этом случае элюат пропускают через капилляр, нагретый до 150 °С, и распыляют в вакуумную камеру. Ионы буфера, присутствующие в р-ре, участвуют в ионоооразовании. Образовавшиеся капли несут положит, или отрицат. заряд. Вдоль капли из-за малого ее диаметра создается высокий градиент электрич. поля, причем по мере распада капель этот градиент возрастает. При этом происходит десорбция из капель протонированных мол. ионов или кластеров (молекула в-ва + катион буфера).

Метод хромато-масс-спетрометрии используют при структурно-аналит. исследованиях в орг. химии, нефтехимии, биохимии, медицине, фармакологии, для охраны окружающей среды и др. Метод масс- спектрометрия вкупе с ICP- MS (inductively coupled plasma – mass spectrometry) является самым мощным и точным на сегодняшний день методом поэлементного анализа (рисунок).

Дата добавления: 2013-12-12