СПОСОБ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО АНАЛИЗА МНОГОКОМПОНЕНТНОГО ВЕЩЕСТВА
METHOD FOR CHROMATOGRAPHIC ANALYSIS OF MULTICOMPONENT SUBSTANCE

Изобретение относится к области аналитической химии, а именно к способам разделения химических соединений методом хроматографии.
Хроматография - это физико-химический метод разделения веществ, основанный на распределении компонентов между двумя фазами - неподвижной и подвижной. Неподвижной (стационарной) фазой обычно служит твердое вещество (его часто называют сорбентом) или пленка жидкости, нанесенная на твердое вещество. Подвижная фаза представляет собой жидкость или газ, протекающий через неподвижную фазу.
По технике выполнения различают колоночную хроматографию, когда разделение проводится в специальных колонках, и плоскостную хроматографию, когда разделение проводится на специальной бумаге (бумажная хроматография) или в тонком слое сорбента (тонкослойная Хроматография) («Основы аналитической химии», т.1. «Общие вопросы. Методы разделения». / Под ред. акад. Ю.А.Золотова, М., «Высшая школа», 2004 г., стр.262-263).
К плоскостным видам хроматографии относят бумажную (БХ) и тонкослойную (ТСХ). Эти два вида хроматографии сходны по технике выполнения анализа. В БХ в качестве носителя неподвижной фазы, например воды, используют целлюлозное волокно бумаги, в методе ТСХ - различные сорбенты (оксид алюминия, силикагель, целлюлозу и др.), нанесенные на пластину тонким слоем.
При проведении хроматографического анализа нет ограничений по применяемой технике (колоночная или плоскостная) в отношении различных исследуемых веществ.
В хроматографии использовано явление адсорбции. Адсорбция может рассматриваться как концентрирование растворенного или диспергированного вещества на твердой или жидкой адсорбционной поверхности. После концентрирования на поверхности адсорбционное вещество может реагировать или полимеризоваться, растворятся, коагулировать, выкристаллизовываться. При одинаковой растворяющей силе в отношении растворенного вещества адсорбция будет больше из тех жидкостей, которые сами плохо адсорбируются. (Г.Холмс. Лабораторные работы по коллоидной химии. Онтихимтеорет, Ленинград, 1935 г., стр.144-145). Образование хроматограмм происходит не только в результате адсорбции, но и вследствие других физико-химических явлений. В существующих видах хроматографического анализа используются явления адсорбции, распределения анализируемого вещества между двумя несмешивающимися жидкостями, ионного обмена и образования осадков. В зависимости от того, какое из указанных явлений превалирует в процессе разделения анализируемой смеси на составные компоненты, различают методы анализа: адсорбционную, распределительную, ионообменную, осадочную хроматографию (А.П.Крешков. Основы аналитической химии, изд-во «Химия», 1965, стр.142) и др. В хроматографии используют жидкости, которые называют в зависимости от назначения по-разному. Одна из жидкостей (неподвижная фаза) находится в порах пористого вещества (носителя, адсорбента). Неподвижным растворителем, находящимся в порах крахмала, силикагеля, бумаги, является вода (А.П.Крешков. Основы аналитической химии, изд-во «Химия», 1965, стр.142-143). Другая жидкость или смесь (подвижная фаза) представляет собой другой растворитель, несмешивающийся с первым, этот растворитель пропускают через колонку или пластинку (бумагу) с небольшой скоростью. В процессе продвижения (промывания) происходит непрерывное перераспределение веществ смеси между двумя несмешивающимися жидкостями. Поскольку различные вещества смеси имеют различные коэффициенты распределения, то и скорости передвижения отдельных веществ различны. Наибольшей скоростью движения обладает то вещество, которое имеет наибольший коэффициент распределения. При этом образуются отдельные зоны (пятна) чистых веществ. Подвижный растворитель может быть «элюентом» или «вытеснителем». Пробу вещества вносят в индивидуальном виде или в виде раствора. Используют для растворения пробы жидкости-растворители. Способ хроматографирования (т.е. ввод пробы на носитель в определенном растворителе, использование вытеснителя или элюента) меняет картину разделения, следовательно, и механизм разделения.
По способам (механизмам) получения хроматограмм различают элюентную, вытеснительную и фронтальную хроматографии (Стиг Классон. «Адсорбционный анализ смесей», пер. с англ. под ред. А.А.Жуховицкого, ГХИ, Москва-Ленинград, 1950, стр.152).
Элюентная (проявительная) хроматография заключается в том, что на пластину со слоем сорбента, на которую наносят анализируемую пробу, опускают в элюент (раствор или растворитель), обладающий меньшей сорбируемостью, чем любой из разделяемых компонентов пробы. Элюент под воздействием капиллярных и гравитационных сил поднимается по пористой пластине, при этом разделяемые компоненты пробы начинают перемещаться вверх по пластине с различной скоростью. Наибольшей скоростью обладает наименее сорбируемый компонент, затем следующий и т.д. При элюентной хроматографии скорость движения элюента выше, чем скорость движения веществ. В результате на пластине образуются отдельные пятна компонентов, которые в дальнейшем идентифицируются известными методами.
Вытеснительная тонкослойная хроматография заключается в том, что пластину с пятном пробы опускают в вытеснитель (раствор или растворитель), обладающий большей сорбируемостью, чем любой из разделяемых компонентов. По мере продвижения по пластине вытеснитель вытесняет из пробы сначала первое вещество, которое затем вытесняет второе вещество и т.д. При вытеснительной хроматографии скорость движения веществ равна скорости движения вытеснителя. Разделяемые вещества располагаются последовательно друг за другом. Каждый из компонентов выделяется в чистом виде, но не количественно, так как зоны компонентов не разделены промежутками чистого сорбента. Для вытеснительной хроматографии характерно пятно в виде хвоста (овальная форма) («Основы аналитической химии», т.1. «Общие вопросы. Методы разделения». / Под ред. акад. Ю.А.Золотова, М., «Высшая школа», 2004 г., стр.263-265).
Фронтальная хроматография заключается в том, что используют один и тот же растворитель в качестве растворителя пробы и элюента (Стиг Классон. «Адсорбционный анализ смесей», пер. с англ. под ред. А.А.Жуховицкого, ГХИ, Москва-Ленинград, 1950, стр.12).
Элюентная, вытеснительная и фронтальная хроматографии могут быть получены как в колоночной хроматографии («Основы аналитической химии», т.1. «Общие, вопросы. Методы разделения. / Под ред. акад. Ю.А.Золотова, М., «Высшая школа», 2004 г., стр.263-265), так и в плоскостной хроматографии (там же, стр.328-333).
Выбор техники выполнения хроматографии (колоночная или плоскостная) определяется исключительно с точки зрения удобства проведения исследования, имеющимся оборудованием.
Количественный анализ проводят одним из трех методов: абсолютной калибровки (предполагает построение градуировочного графика по стандартным смесям, как и в других химических методах), внутренней нормализации (предполагается, что пики всех возможных компонентов смеси зафиксированы на хроматограмме, а сумма их площадей равна 100%) и внутреннего стандарта (предусматривает введение в анализируемый образец известного количества стандартного соединения) (Основы аналитической химии. Задачи и вопросы: Учеб. пособие для вузов / В.И.Фадеева, Ю.А.Барбалат, А.В.Гармаш и др. / Под ред. Ю.А.Золотова. - 2-е изд., - М.: Высш. шк. 2004. - 412 с., стр.199-200).
В качестве прототипа выбираем способ анализа веществ методом элюентной (проявительной) тонкослойной хроматографии («Химическая энциклопедия», т.4, М., научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 1995 г., стр.608-609). В известном способе проводят элюентный анализ, при котором на слой сорбента наносят капли (объемом 1-5 мкл) анализируемого раствора и погружают край пластинки в элюент, который находится на дне герметично закрываемой стеклянной камеры. Элюент продвигается по слою сорбента под действием капиллярных и гравитационных сил; анализируемая смесь перемещается в том же направлении. В результате многократного повторения актов сорбции и десорбции в соответствии с коэффициентом распределения в выбранной системе компоненты распределяются и располагаются на пластинке отдельными зонами. После завершения процесса пластинку вынимают из камеры, высушивают и обнаруживают разделенные зоны по собственной окраске или после опрыскивания их растворами реагентов, образующих окрашенные или флуоресцирующие пятна с компонентами разделенной смеси. Положение хроматографических зон на хроматограмме характеризует величина Rf - отношение пути li, пройденного центром зоны i-го компонента от линии старта, к пути 1, пройденному элюентом: Rf=li/l; Rf≤1. Величина Rf зависит от коэффициента распределения (адсорбции) и от соотношения объемов подвижной и неподвижной фаз.
Все известные методы тонкослойной хроматографии позволяют достаточно точно определять компонентный состав смеси.
Однако, например, в коксохимии и нефтехимии требуется знать не столько количественный состав компонентов, сколько фракционный групповой состав, поскольку традиционно именно фракционный групповой состав каменноугольных и нефтяных пеков, смол и отходов их производства, а также битумов определяет товарные свойства, влияющие на их способность к использованию, например, в качестве вяжущих веществ или сырья для производства коксов, в соответствии с требованиями ГОСТ, ТУ на продукцию.
В нефтехимии общепринятыми методами определения соединений различных классов и групп является разделение веществ по их избирательному отношению к растворителям и адсорбентам (Грудников И.Б. Производство нефтяных битумов. - М.: Химия, 1983. - 192 с., стр.8-10). На анализ группового химического состава битумов с использованием колоночного варианта хроматографии затрачивается примерно 2 часа (там же, стр.10).
В коксохимии методы определения группового состава основаны на использовании различной растворимости компонентов пека в органическом растворителе с последующим определением массы отделенного и высушенного нерастворившегося остатка На анализ группового состава каменноугольных смолы и/или пека затрачивается времени не меньше, чем для анализа нефтяных продуктов. Для растворения применяют нагрев в растворителях и промывку осадка нагретым растворителем (например, хинолином, нагретым до 95°C), что осложняет работу в лаборатории (Практическое руководство по методам контроля качества сырья для производства углеграфитовых материалов. М., 1982. - с.143, стр.103-111).
Известно (журнал «Кокс и химия», 1973 г., №11, В.А.Медведев, В.Д.Давыдов. «Тонкослойная хроматография органических продуктов коксохимии», стр.37-39) использование тонкослойной хроматографии для разделения искусственной смеси индивидуальных компонентов каменноугольной смолы на оксиде алюминия. В каменноугольной смоле содержится около 10000, а выделено и индефицировано на 1969 г. около 480 компонентов [Литвиненко М.С. Химические продукты коксования (производство и использование). «Техника», 1974, 220 с., стр.149]. Следовательно, выделить индивидуальные компоненты из всей суммы компонентов смолы на одной пластинке невозможно.
Тонкослойная бумажная хроматография применяется в нефтехимии для определения стабильности битума. Капля раствора битума во фракции 150-200°C с анилиновой точкой 59-63°C ставится на лист фильтровальной бумаги. После испарения растворителя рассматривается образовавшееся пятно. Однородность пятна свидетельствует о гомогенном строении битума (Грудников И.Б. Производство нефтяных битумов. - М.: Химия, 1983. - 192 с., стр.21-22). В этом методе не происходит разделения компонентов, а рассматривается структура битума.
Таким образом, известные методы определения компонентного, в том числе и группового состава (с использованием в нефтехимии и хроматографии), длительны, сложны, используют повышенную температуру, вредны для здоровья лаборантов. Экспресс-анализ с использованием тонкослойной хроматографии отсутствует, а колоночная хроматография применяется для разделения по классам на парафино-нафтеновые смолы, арены (Л.П.Гилязетдинов, М.Д.Евреинова, Л.И.Прохорова. «Исследование высококипящих фракций каменноугольной смолы методом хроматографического анализа», журнал «Кокс и химия», 1958 г., №11, стр.51-54), а не по всему фракционному групповому составу (фракция содержит смесь соединений разных классов) из-за слабой разделительной способности.
Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, - возможность определения фракционного состава многокомпонентных веществ, расширение функциональных возможностей хроматографического анализа, упрощение способа, обеспечение быстрого анализа (экспресс-анализ).
Заявленный технический результат достигается тем, что в способе хроматографического анализа многокомпонентного вещества, при котором пробу вещества, характеризующегося фракционным составом, растворяют в вытеснителе, в котором растворимы все фракции пробы; раствор из смеси вытеснителя и растворенной в нем пробы помещают в/на неподвижную фазу, затем через смесь вытеснителя с пробой пропускают элюент, в качестве которого используют вещество, в котором нерастворима, как минимум, одна исследуемая фракция, затем проявившееся из смеси вытеснителя с пробой и в/на неподвижной фазе каждое вещество идентифицируют.
После идентификации каждого выделившегося вещества определяют его количественное значение.
Каждое выделившееся вещество можно идентифицировать визуально.
Каждое выделившееся вещество можно идентифицировать посредством химических реагентов.
Каждое выделившееся вещество можно идентифицировать посредством ультрафиолетового облучения.
Каждое выделившееся вещество можно идентифицировать спектрофотометрическим методом.
Каждое выделившееся вещество можно идентифицировать рентгено-флуоресцентным методом.
Каждое выделившееся вещество можно идентифицировать радиометрическим методом.
Идентификацию каждого выделившегося вещества можно осуществлять путем его сравнения со стандартом вещества.
Идентификацию исследуемой фракции можно осуществлять путем сравнения хроматограммы каждого выделившегося вещества с хроматограммой стандарта вещества.
Заявляемый способ применим к любым многокомпонентным веществам, характеризующимся групповым составом (фракциями).
1
1
1
11
12
1
В производственной практике и научных исследованиях смолу и пек характеризуют показателями группового состава (фракциями): содержание веществ, нерастворимых в хинолине, но растворимых в толуоле (α-фракция) ГОСТ 10200 «Пек каменноугольный электродный» и растворимых в толуоле (α-фракция) ГОСТ 7847 «Пек каменноугольный». С помощью растворителей японскими учеными из α-фракции выделены три подфракции. Известно разделение α-фракции на α и α с помощью комплексообразования. Рентгеноструктурные исследования показали, что кокс, полученный из f-фракции, изотропен и плохо графитируется.
1
1
1
Именно α-фракция высокотемпературного пека непосредственно влияет на выход пекового кокса, способствует уплотнению и упрочнению его структуры, уменьшению общей пористости и реакционной способности. С другой стороны, в технологии получения анизотропных углеродистых материалов общеизвестно негативное влияние α-фракции, препятствующей росту мезофазных структур (О.Ф.Сидоров. «Проблемы получения высокотемпературного пека», Кокс и Химия, №2, 1996, с.28-32). Таким образом, различие свойств каменноугольных пеков обусловлено свойствами и концентрацией именно нерастворимой в хинолине α-фракции, свойства которой, в свою очередь, зависят от технологического режима коксования угольной шихты, дистилляции смолы и термообработки пека.
2
1
2
Фракция α (α-α=α) - это содержание веществ, нерастворимых в толуоле, но растворимых в хинолине. Ее компоненты способны к плавлению и спеканию, по сравнению с другими спекающими компонентами пека, дают самый высокий выход коксового остатка и влияют на вязкость и температуру размягчения.
Фракция β нерастворима в изооктане, бензине, петролейном эфире, но растворима в толуоле, хинолине (по аналогии с нефтяными продуктами соответствует асфальтенам). Фракция - твердое вещество. Фракция β определяет связующие и спекающие свойства пека, рост ее содержания в пеке повышает выход кокса и адгезионную способность связующего. Фракция β оказывает определяющее влияние на вязкость связующего и содержит большую часть функциональных групп пека, главным образом фенольных и карбонильных (Фиалков А.С. «Углеграфитовые материалы», М., Энергия, 1979 г., 320 с.).
Фракция γ растворима в толуоле, изооктане, бензине, петролейном эфире, имеет коричнево-красный цвет, текучая, наиболее низкомолекулярная, содержит карбо- и гетероциклические соединения. Фракция γ, по аналогии с нефтяными продуктами, соответствует смолам и маслам. Фракция γ не обладает спекающей способностью, чем ее больше, тем больше выход летучих веществ. При обжиге она вся удаляется. Однако фракция γ улучшает смачивающие и адгезионные свойства связующего вещества (Фиалков А.С. «Углеграфитовые материалы», М., Энергия, 1979 г., 320 с.). Фракция γ (ее наиболее низкомолекулярная часть) обеспечивает пластифицирующие свойства связующего и создает благоприятные условия для смешения анодной массы, способствуя ее гомогенизации (А.Н.Чистяков. «Химия и технология переработки каменноугольных смол», Челябинск, «Металлургия», Челябинское отделение, 1990 г., с.160).
Следовательно, наличие различного состава фракций в каменноугольном пеке будет обусловливать его различные свойства, полезные в одних случаях и вредные - в других.
Таким образом, определяя возможность полезного использования каменноугольного пека, а также иных продуктов (в том числе продуктов нефтепереработки), содержащих различные фракции, необходимо устанавливать наличие и количественное значение тех или иных фракций.
Сущность заявляемого способа состоит в следующем.
В заявляемом способе объединены элементы элюентной (проявительной) и вытеснительной хроматографии.
На первом этапе пробу растворяют в вытеснителе. Известно, что вытеснитель - это растворитель, имеющий большую сорбционную способность, чем все компоненты исследуемого вещества. Также известно, что скорость движения вытеснителя равна скорости движения веществ, растворенных в нем. По мере продвижения вытеснителя он вытесняет сначала первое вещество, затем из первого вещества вытесняется второе, из второго - третье и т.д.
Смесь, т.е. полученный раствор, содержащий вытеснитель и исследуемое вещество (пробу), в малом количестве помещают в/на неподвижную фазу и сразу через смесь вытеснителя с пробой начинают пропускать элюент - подвижную фазу. При этом в качестве элюента выбирают вещество с заранее известными свойствами, а именно вещество, в котором не растворяются, как минимум, одна фракции пробы (исследуемые фракции). Если необходимо исследовать α-фракцию, в качестве элюента выбирают толуол, в котором α-фракция не растворима. Вытеснителем, в котором растворяются все фракции, является хинолин. Если необходимо исследовать другую фракцию, в качестве элюента необходимо выбирать вещество, в котором нерастворима эта фракция. Заявляемый способ позволяет осуществлять его как в колоночной, так и в плоскостной хроматографии, различие только в том, что при колоночной хроматографии смесь вытеснителя с пробой помещают в неподвижную фазу, а при плоскостной - на неподвижную фазу. Поэтому в описании и в формуле использован альтернативный признак «в/на неподвижную фазу», что означает или «в неподвижную фазу» (при колоночной хроматографии), или «на неподвижную фазу» (при плоскостной хроматографии).
При колоночной хроматографии в колонку сначала вводят раствор, содержащий смесь вытеснителя с пробой, а затем через колонку пропускают элюент (подвижную фазу), который, как известно, имеет большую скорость, чем смесь вытеснителя с пробой.
При плоскостной хроматографии смесь, содержащую вытеснитель с растворенной в нем пробой, в малом количестве (чтобы пятно не ушло с пластины) наносят на неподвижную фазу, нанесенную в виде слоя на пластину, на линию старта, а затем край пластины со слоем неподвижной фазы опускают в элюент, который начинает подниматься по пластине.
При пропускании элюента через смесь вытеснителя с пробой элюент проявляет себя как в отношении вытеснителя, так и в отношении растворенной в вытеснителе пробы вещества.
В отношении вытеснителя элюент проявляет себя как подвижная фаза и поднимает вытеснитель относительно начального положения смеси.
Вытеснитель, двигаясь относительно неподвижной фазы, вытесняет первое вещество, растворенное в нем. Далее по мере движения вытеснителя из первого вещества будет вытеснено второе вещество, из второго вещества будет вытеснено третье вещество и т.д. При этом скорости движения вытеснителя и вытесняющихся веществ будут одинаковы.
При достижении вытеснителем крайнего уровня, дальше которого вытеснитель не может двигаться, т.к. максимальный уровень, на который вытеснитель может выдвинуться относительно начального положения, определяется количеством вытеснителя, на крайнем участке вытеснителя (на границе с неподвижной фазой) будет присутствовать вещество (крайнее вещество), из которого не успели выделиться другие вещества (т.к. вытеснитель исчерпал себя). Компоненты крайнего вещества далее будут двигаться относительно неподвижной фазы (уже при отсутствии вытеснителя) под воздействием подвижной фазы - элюента. Элюент поднимает компоненты, содержащиеся в крайнем веществе. Эти компоненты распределяются относительно неподвижной фазы в соответствии с их коэффициентами распределения Rf. При этом скорость движения элюента выше, чем скорость движения вытеснителя.
Выше было описано, как происходит движение веществ относительно неподвижной фазы. Однако в процессе вытеснения веществ вытеснителем вытесняемые вещества будут взаимодействовать с элюентом. В качестве элюента было выбрано вещество, в котором нерастворимы исследуемые фракции (заранее известно, какие фракции растворимы и не растворимы в элюенте). Следовательно, при взаимодействии элюента и фракций пробы, вытеснившихся вытеснителем и не растворимых в элюенте, эти фракции выпадут в осадок, т.е. проявятся. В данном случае элюент выполняет функцию не только подвижной фазы, но и проявителя веществ (в данном случае фракций), вытеснившихся вытеснителем. Элюент проявит только те фракции, вытеснившиеся из первого вытеснившегося вещества, которые не растворимы в нем. Если надо проявить другие фракции, в качестве элюента при повторном анализе необходимо выбрать другое вещество, в котором будут нерастворимы уже другие фракции пробы. Таким образом, проводя последовательно анализ, меняя элюент, можно выделить все фракции пробы, в отношении которых известно, что они нерастворимы в тех или иных растворителях, которые выбираются в качестве элюентов. Также в процессе исследований могут быть выделены иные фракции (вещества, объединенные по групповому составу), не известные на момент проведения исследований.
Таким образом, при движении элюента через смесь вытеснителя с пробой элюент выполняет две функции - функцию подвижной фазы (поднимает вытеснитель с растворенной в нем пробой) и функцию проявителя веществ (фракций), содержащихся в пробе. После того, как элюент продвинулся дальше уровня вытеснителя, он выполняет одну функцию - функцию подвижной фазы, заставляя двигаться компоненты веществ, содержащихся в крайнем веществе, располагающемся на уровне, на который выдвинулся вытеснитель. Т.е. линией старта для крайнего вещества будет уровень максимального (крайнего) выдвижения вытеснителя. При этом скорость движения элюента также будет выше, чем скорость движения компонентов крайнего вещества.
Вытеснитель в заявляемом способе выполняет свою известную функцию - функцию вытеснения веществ, растворенных в нем со скоростью, равной скорости движения вытеснителя.
Главное отличие заявляемого способа от известных в том, что способ осуществляют при обязательном присутствии как вытеснителя, в котором растворена проба (все фракции пробы), так и элюента, в котором нерастворимыми являются отдельные фракции, содержащиеся (предположительно содержащиеся) в пробе.
Способ позволяет выделить как вещества, сгруппированные по отдельным фракциям (групповой состав вещества), так и компонентный состав пробы.
При колоночной хроматографии при осуществлении заявляемого способа из колонки сначала выйдут индивидуальные компоненты веществ, выделившиеся из крайнего вещества, которые можно собрать в виде слоев веществ. Затем, при достижении вытеснителем выхода из колонки, в собираемой емкости (кювете) последовательно расположатся слои исследуемых фракций, поскольку скорость движения вытеснителя и веществ, вытесняемых им, одинаковая. Таким образом можно собрать отдельно как вещества (компоненты веществ), выделившихся из крайнего вещества при движении элюента, так и фракции, вытеснившиеся вытеснителем и проявленные элюентом.
При плоскостной хроматографии на пластине вещества (фракции), вытеснившиеся вытеснителем, проявятся на пятне вытеснителя, например в виде полос, а индивидуальные компоненты вещества проявятся на пластине выше пятна вытеснителя в виде отдельных пятен, расположенных на пластине, например в соответствии с их коэффициентом распределения.
Вещества, выделившиеся элюентом в/на неподвижной фазе, анализируют с точки зрения их компонентного состава (определяют индивидуальные компоненты пробы). Однако эти вещества не позволяют установить их фракционный состав, т.к. каждое выделившееся в/на неподвижной фазе вещество будет содержать разные фракции конкретного индивидуального компонента.
Поскольку для анализа (согласно растворителям группового анализа ГОСТ 10200, ГОСТ 7847) был выбран элюент, в отношении которого заранее было известно, что в нем не растворяются конкретные фракции исследуемого вещества, следовательно, сравнив характеристики слоев фракций, выделившихся на вытеснителе (при колоночной хроматографии - в виде слоев, последовательно расположенных на дне кюветы; а при плоскостной хроматографии - в виде слоев на пятне вытеснителя) с эталонными значениями конкретных фракций (полученных на хроматограммах в предлагаемых условиях - стандартах), можно достоверно установить наличие в исследуемом веществе фракций, совпавших с эталонными значениями этих фракций (стандартами фракций).
Для выделения из исследуемого вещества других фракций через смесь вытеснителя с пробой необходимо пропускать элюент, в отношении которого заранее известно, что в нем нерастворимы уже другие фракции, не проявившиеся при пропускании элюента, примененного первоначально.
Таким образом, последовательно повторяя процесс пропускания различных элюентов через смесь вытеснителя с пробой, можно выделить все фракции, содержащиеся в исследуемом веществе.
Пятна или слои исследуемых фракций обнаруживаются известными методами, например, визуально или по их флуоресценции при УФ-облучении.
После того, как будут выделены исследуемые фракции, проводят их качественный анализ с целью идентификации каждой фракции.
Идентификация проводится известными методами, описанными в литературе, например, в источнике «Основы аналитической химии», т.1. «Общие вопросы. Методы разделения». / Под ред. акад. Ю.А.Золотова, М., «Высшая школа», 2004 г., стр.283-284, 286-287, которые заключаются в следующем.
Первый метод (стр.283-284) заключается в том, что идентификацию проводят по параметрам удерживания, которые характеризуются хорошей воспроизводимостью, относительные стандарты отклонения не превышают 2%. Совпадение величин удерживания неизвестного и стандартного соединений свидетельствует о том, что эти соединения могут быть идентичными.
Другой метод (стр.286) состоит в том, что идентификацию проводят путем сравнения хроматограмм исследуемого вещества и эталонного.
Также возможно использование (стр.287) для идентификации химических реакций до и после хроматографирования. В последнем случае отобранные фракции элюента анализируют химическими или физическими методами на присутствие того или иного компонента.
Однако все эти известные методы основаны на том, что для идентификации исследуемого вещества (в нашем случае - фракции) сравнивают характеристику выделившегося вещества (фракции) с аналогичной характеристикой эталона (стандарта) этого вещества (фракции). Эталонные (стандартные) значения фракций получают известными способами (ГОСТ 10200-83. «Пек каменноугольный электродный», ГОСТ 7847-73. «Пек каменноугольный»).
После того, как будут выделены все фракции (или установлено наличие каких-то определенных фракций), известными методами можно определить количественный состав исследуемых фракций.
В случае, если проводилась колоночная хроматография, количественный анализ проводят с помощью детекторов. Данный метод описан в источнике «Основы аналитической химии», т.1. «Общие вопросы. Методы разделения». / Под ред. акад. Ю.А.Золотова, М., «Высшая школа», 2004 г., стр.287 и заключается в следующем. Для количественного анализа по хроматограмме сигнал детектора передается на электронное устройство, которое преобразует его в цифровую форму, либо на самописец с диаграммной лентой. В последнем случае количественный анализ проводят, измеряя высоту или площадь пика, т.к. эти параметры пропорциональны концентрации или количеству вещества в хроматографической зоне. Блок-схема хроматографа для колоночной хроматографии приведена в этом же источнике на стр.280 и включает систему подачи подвижной фазы (баллон с газом или насос для жидкой подвижной фазы), дозатор, колонку, детектор, регистратор (самописец, ЭВМ), микропроцессор, термостатируемые зоны. Количество вещества, выходящего из колонки, регистрируют с помощью детектора, сигналы которого записывают в виде хроматограмм.
В случае, если проводилась плоскостная хроматография, количественный анализ можно проводить методами, описанными в источнике «Основы аналитической химии», т.1. «Общие вопросы. Методы разделения». / Под ред. акад. Ю.А. Золотова, М., «Высшая школа», 2004 г., стр.333-335. Количественный анализ осуществляют непосредственно на хроматограмме (на слое сорбента или на бумаге) или анализируемое вещество (пятно) вымывают из слоя сорбента (с бумажной полоски) после вырезания зоны, и полученный раствор анализируют каким-либо методом. Непосредственно на хроматограмме количественный анализ можно осуществлять по размеру пятна (полуколичественное определение), спектрофотометрическим методом по спектрам поглощения (фотоденситометрия) и по спектрам отражения, а также флуорометрическим, рентгено-флуоресцентным и радиометрическим методами.
В заявляемом способе не имеет значения, какими методами проводились идентификация (качественный анализ) и количественный анализ исследуемой фракции, главное, что заявляемый способ позволяет четко выделить фракции (групповой состав) исследуемого вещества, т.е. компоненты исследуемого вещества, объединенные общей характеристикой. Способ позволяет выделить исследуемые фракции таким образом, что возможна их четкая идентификация (качественный анализ) и возможно определение количественного состава каждой исследуемой фракции. Заявляемый способ имеет конкретное прикладное значение, а именно позволяет определять качественные характеристики веществ, характеризующихся групповым составом (фракционным составом), определяющим качество и свойства исследуемых веществ. Одновременно заявляемый способ позволяет провести традиционный анализ индивидуальных компонентов исследуемого вещества (веществ, выделившихся на элюенте).
Таким образом, заявляемый способ хроматографического анализа позволяет определить фракционный состав исследуемого многокомпонентного вещества, что очень важно при определении качества продуктов, используемых, например, в коксохимическом производстве. Выделение исследуемых фракций происходит в/на вытеснителе. Одновременно с выделением фракций исследуемого вещества заявляемым способом осуществляется определение компонентного состава вещества по веществам, выделившимся не на вытеснителе, а на элюенте. Т.е. заявляемый способ позволяет расширить функциональные возможности хроматографического анализа за счет одновременного выявления фракций вещества (на вытеснителе) и компонентов вещества (на элюенте).
Кроме того, заявляемый способ прост, быстр, позволяет провести экспресс-анализ вещества. Заявляемый способ обладает точностью не ниже, чем все известные методы.
Пример осуществления заявляемого способа
Заявляемый способ проверен средствами тонкослойной хроматографии (относится к плоскостным видам хроматографии), поскольку данный метод наименее трудоемкий и наиболее быстрый.
Пример 1.
Исследуют 100%-ную α-фракцию пека.
Небольшое количество пека (0,08 г) растворяют в вытеснителе - хинолине, т.к. известно, что α-фракция растворима в хинолине.
На фиг.1 приведена тонкослойная хроматограмма индивидуального хинолина. Элюент - толуол. Видно, что под воздействием элюента хинолин продвинулся вперед от линии старта, и пятно вытянулось.
Подготавливают лист фольги или стеклянную пластинку, на который наносят неподвижную фазу - слой сорбента (силикагель). На расстоянии 10 см от края пластинки (обозначим этот край, как нижний край) наносят линию старта, примерно на расстоянии 1 см от верхнего края пластинки наносят линию фронта (граница, выше которой выделяемые вещества не должны подниматься, т.к. в противном случае они будут смыты с пластинки элюентом).
Небольшое количество раствора (5-15 мкл), содержащего смесь из α-фракции пека и вытеснителя (хинолина), наносят в виде пятна на линию старта.
Далее край пластинки (ниже линии старта), не задевая пятно смеси вытеснителя с пеком, опускают в емкость с элюентом - подвижной фазой. В качестве элюента выбираем толуол.
Под воздействием капиллярных и гравитационных сил элюент (толуол) начинает подниматься по неподвижной фазе - силикагелю. После того, как элюент достиг линии фронта, вынимаем пластинку из элюента и высушиваем ее. Проводим анализ пятен веществ, выделившихся на пластинке (фиг.2). Этот анализ проводим методом УФ-облучения или визуально.
1
1
2
1
Установили, что исследуемая 100%-ная α-фракция пека содержит α, α , α-фракции (фиг.2).
2
2
1
11
Для выявления наличия иных фракций в 100%-ной α-фракции пека пек растворили в толуоле (вытеснитель - толуол), а в качестве элюента выбрали изооктан. На фиг.3 видно, что 100%-ная α-фракция пека содержит также α -фракцию и α -фракцию.
Пример 2.
Исследуют среднетемпературный пек ГКХЗ.
Вытеснитель - хинолин.
Элюент - изооктан.
На фиг.4 видно, что под воздействием элюента - изооктана хинолин с растворенной в нем пробой поднялся, но фракции, содержащиеся в нем, под действием изооктана не проявились.
Тогда пластину поворачиваем на 90° и опускаем край пластины уже в другой элюент - толуол.
2
На фиг.4 видно, что по направлению движения толуола из смеси вытеснителя -хинолина с пробой проявились α-фракция и неразделенные (β+γ)-фракции.
Чтобы разделить β- и γ-фракции, необходимо поменять вытеснитель и/или элюент.
Таким образом в процессе последовательного исследования можно установить все известные фракции, содержащиеся в исследуемом веществе.
Пример 3.
Исследуют каменноугольную смолу НТМК.
Малое количество каменноугольной смолы растворили в вытеснителе - хинолине.
Элюент - толуол.
1
1
1
На фиг.5 видно, что на пятне, занятом хинолином, проявились две фракции - α и α .
2
2
2
1
11
Выше пятна, занятого хинолином, проявились α, α , α , (β+γ)-фракции.