книги из ГПНТБ / Волынец М.П. Тонкослойная хроматография в неорганическом анализе [Текст] 1974. - 151 с

Г л а в а 1

СУЩНОСТЬ МЕТОДА ТОНКОСЛОЙНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ

ПРИНЦИП ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ВЕЩЕСТВ И НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ТСХ

Хроматография как способ разделения смесей веществ сорб­ ционными методами в динамических условиях в течение последних десятилетий стала одним из самых распространенных приемов ана­ литической химии. В основе хроматографических методов лежит широкий круг физико-химических процессов: распределение, ад­ сорбция, диффузия, ионный обмен и др.

Как и во всех хроматографических процессах, разделение ве­ ществ методом ТСХ происходит по мере продвижения подвижной фазы сквозь неподвижную, в результате чего разделяемые компо­ ненты перемещаются по слою сорбента на пластинке с различной скоростью (вследствие различной сорбируемости) в направлении движения потока. В процессе этого движения смеси веществ через слой зерненого сорбента происходит многократное повторение актов сорбции и десорбции вещества в элементарных слоях (каж­ дый раз на новом участке сорбента), и вследствие этого компоненты смеси располагаются на хроматограмме зонами в соответствии с их коэффициентами распределения в данной системе. Под получением (развитием) хроматограммы понимают формирование распределе­ ния вещества по слою сорбента Г

Вопросы теории ТСХ, сущность метода и техника работы рас­ сматриваются в ряде монографий [Т, 90, 128, 235, 248, 307, 348,

Б. Г. Беленький с сотр. [3, 4, 6, 119] и др.

1 В зарубежной и переводной литературе для обозначения понятия «развитие хроматографического процесса» часто используют термин «проявление». Мы по­ следний термин будем применять для обозначения процесса обнаружения ве­ щества на полученной хроматограмме.

9

В зависимости от метода работы различают элюционную хро­ матографию, вытеснительную хроматографию и фронтальный ана­ лиз [283]. Хроматография в тонких слоях в обычной форме ее осу­ ществления принадлежит к первому из вариантов.

Физико-математические способы рассмотрения процессов, раз­ личные общие теории хроматографии, которые хотя и имеют раз­ личную форму, родственны друг другу и в своей основе применимы к любому хроматографическому методу, в том числе и к хромато­ графии в тонких слоях. В последнем случае имеются особенности протекания процесса, которые следует учитывать при теоретическом рассмотрении метода.

Хроматография является непрерывным процессом. Для теоре­ тического рассмотрения его обычно разбивают на ряд периодиче­ ских, следующих друг за другом единичных актов. Для описания ТСХ раньше обычно использовали теорию колоночной (одномерной) хроматографии [409]. Однако при проведении хроматографического процесса в тонких слоях сорбента на пластинке (как бы в откр ытой колонке с частично удаленной стенкой) в ходе независимого дви­ жения компонентов по ней происходит постепенное размывание хроматографических пятен в двух направлениях (в отличие от колоночной хроматографии, где поперечное размывание ограничено стенками колонки). Поэтому для количественного описания такого двумерного хроматографического процесса более правильно, на наш взгляд, применять теорию двумерной хроматографии, предложенную Б. Г. Беленьким с сотрудниками [5, 6]. Изложим кратко сущность этой теории. В основу теории авторами были положены следующие представления.

1. Вещество в хроматографическом пятне (зоне) движется со

определяемый адсорбционными свойствами вещества и отношением объемов подвижной и неподвижной фаз (величина Rf — отношение пути, пройденного веществом, к пути, пройденному фронтом рас­ творителя).

2. Процесс ТСХ является неидеальным, т. е. сопровождается диффузионным размыванием вещества в подвижной фазе вдоль и поперек направления движения элюента. Такое размывание может быть охарактеризовано с помощью эффективного коэффициен­ та диффузии ф і Ф 0).

3. ТСХ — неравновесный процесс. Конечный размер зерен сорбента и в связи с этим конечность времени установления термо­ динамического равновесия между двумя фазами определяет такую неравновесность, благодаря которой происходит дополнительное размывание пятна в направлении движения элюента. Время за­ паздывания в установлении равновесия между подвижной и непо­ движной фазами учитывается при помощи кинетического параметра, запаздывания (г Ф 0).

Основываясь на этих предположениях и рассматривая баланс

10

Исследуя фундаментальное решение дифференциального урав­ нения ТСХ с целью выяснения влияния параметров опыта на эф­ фективность разделения и детектирования вещества на пластинке, авторы этой теории определяют оптимальные условия процесса, позволяющие создать экспрессный ультрачувствительный вариант ТСХ, названный ими «микротонкослойной хроматографией». Мы не будем приводить здесь всех математических выкладок, а лишь отметим наиболее важные следствия, вытекающие из проделанного анализа [4, 5].

1. При малых значениях Rf и уменьшении времени анализа размывание пятна минимально, и, следовательно, в этих условиях достигается максимальная чувствительность анализа.

2. При уменьшении размера зерна пористого сорбента (силика­ геля) падает сопротивление массопередаче (следовательно, влияние кинетических факторов на размывание пятна становится менее существенным), а также одновременно уменьшается скорость дви­ жения жидкости вследствие увеличения гидродинамического со­ противления слоя, и в связи с этим возрастает время опыта (сле­ довательно, усиливается диффузное размывание пятна в подвижной фазе). Поэтому должен быть оптимальный размер зерна сорбента, при котором суммарное влияние этих двух физических явлений будет минимальным.

Расчетные значения оптимальных величин диаметра зерна сор­ бента и пробега элюента при заданном коэффициенте разделения (например, равном 2) оказались соответственно 2—5 же и 5 см. Экспериментальные данные в пределах ошибки опыта соответст­ вуют расчетным. Поэтому в методе микротонкослойной хроматогра­ фии рекомендуются пластинки размером 6 X 6 см (для двумерной хроматографии), покрытые слоем силикагеля КСК толщиной 150— 200 мк с размером зерна 5 мк.

На основе развитых теоретических представлений было дано обоснование точного определения количества вещества в хромато­ графическом пятне с помощью двухкоординатной денситометрии и по величине площади пятна [5, 66]. Этот метод, хотя и не самый точ-

'ный (6—8 отн. %), но самый быстрый и не требует для своего осу­ ществления специального сложного оборудования.

Для получения точных результатов нужно иметь на хромато­ грамме пятна с четко очерченными границами при строго опреде­ ленной концентрации исследуемого вещества с0. Для этого исполь­ зуют двойную последовательную контактную печать в проходящем

12

УФ-свете на специальной рефлексной фотобумаге, имеющей сверх­ контрастную характеристическую кривую.

Интегрируя уравнение (2), выражающее фундаментальное ре­ шение основного дифференциального уравнения ТСХ, в пределах + ос, можно определить количество вещества в хроматографическом пятне (q):

Практически эти измерения можно сделать при помощи двух­ координатного денситометра. В этом случае

q= 2nEmSxGyls,

где Em — экстинкция вещества в максимуме (высота пика); е — молярная экстинкция вещества.

Сравнение пятен разных навесок одного и того же вещества, хроматографированного в одинаковых условиях (ах = а х,- оу =

Для вычисления количества вещества в пятне практически удобнее и проще определить длину и ширину пятна эллипсоидаль­ ной формы, перефотографированного на фотобумагу. Площадь такого эллипса пропорциональна количеству вещества в пятне.

С помощью уравнений (2) и (3) можно показать, что lg <7= Л + B l j y ,

где Іх — ширина хроматографического пятна в направлении дви­ жения элюента; Іу — ширина пятна в поперечном направлении; А и В — постоянные величины: А = lgr^ncw v, В = 1/(18,4ахаѵ). Можно по серии стандартов построить график, выражающий зави­ симость lg <7 = / (ixtу), и по нему определить любое неизвестное количество этого же вещества.

Часто определяют относительное содержание веществ в двух пятнах. Логарифм такого отношения связан с параметрами соот­ ветствующих пятен по формуле:

\ g ( q i l q*) = A' + B- lXil V i - C ' l X2l v . t

где А', В' и С' — константы, для определения которых необходимо получить хроматограммы трех бинарных смесей известного и раз­ личного количественного состава. Измеряя далее размеры пятен (Іх„ Іу„ ІХг, /(/,), составляют систему трех уравнений с тремя неиз­ вестными (A', В', С'). Затем любое неизвестное соотношение между компонентами и q2 может быть определено по последней формуле с помощью найденных значений констант.

13

Все высказанные выше авторами [3—6] теоретические сообра­ жения были разработаны применительно к ТСХ органических веществ. В неорганической ТСХ необходимо учитывать также дру­ гие решающие факторы, например, такие, как ионообменный ха­ рактер сорбента-носителя, комплексообразование катионов с при­ меняемыми реагентами в качестве неподвижной фазы и т. п.

РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

В зависимости от состава и свойств подвижной и неподвижной фаз, от типа взаимодействия между ними и компонентами разделя­ емой смеси, т. е. в зависимости от механизма процесса, различают несколько видов хроматографии: адсорбционную, распределитель­ ную, комплексообразовательную, ионообменную, осадочную, гельфильтрацию. Имеются тонкослойные варианты практически всех видов хроматографии.

Вадсорбционной хроматографии разделение обусловлено раз­ личием в сорбируемое™ компонентов на поверхности тонкораздроб­ ленного твердого вещества, используемого в качестве сорбента.

Если вместо сорбентов применяют молекулярные сита (декстра­ новые гели), то разделение методом гельфильтрации обусловлено селективным действием последних по отношению к веществам с раз­ личным размером молекул: низкомолекулярные вещества, проникая внутрь частиц геля, задерживаются им, а макромолекулы про­ ходят сквозь слой геля.

Вионообменной хроматографии разделение смесей обусловлено различием в данных условиях констант обмена ионов, находящихся

врастворе, с активными группами ионообменных веществ, исполь­ зуемых в качестве сорбента.

Враспределительной хроматографии разделение смесей обус­ ловлено различием коэффициентов распределения компонентов между двумя жидкостями: удерживаемой твердым носителем — бумагой, силикагелем, фторопластом и др.— неподвижной фазой (чаще всего водой) и промывающим растворителем (обычно не сме­ шивающимся с водой).

Вкомплексообразовательной хроматографии разделение сме­ сей веществ обусловлено различной устойчивостью и сорбируемостью комплексных соединений, образующихся в результате взаимо­ действия компонентов со специально введенным в хроматографи­ ческую систему комплексообразующим реагентом.

Восадочной хроматографии разделение веществ обусловлено различной растворимостью осадков, образуемых компонентами

разделяемой смеси в ходе развития хроматографического процесса либо в жидкой фазе из-за различных причин (малая растворимость компонентов в применяемом растворителе, изменение pH среды и др.), либо при взаимодействии жидкой фазы (раствора) с твердой (осадителем, нанесенным на сорбент-носитель в колонке или на пластинке).

14

На практике все перечисленные виды хроматографии редко встречаются в «чистом» виде. Обычно наблюдаются сочетания раз­ личных видов хроматографии: комплексообразовательной и рас­ пределительной, адсорбционной и распределительной, адсорбцион­ ной и ионообменной и т. д. Очевидно, четкое разграничение от­ дельных видов хроматографии невозможно.

Выбор того или иного вида хроматографического анализа опре­ деляется природой компонентов анализируемой смеси и теми ус­ ловиями, в которых различие свойств разделяемых веществ осо­ бенно полно и отчетливо проявляется.

При хроматографическом разделении неорганических веществ в тонком слое чаще всего применяют адсорбционную, распредели­ тельную и ионообменную хроматографию.

Вслучае адсорбционной хроматографии в тонком слое сорбента механизм миграции неорганических ионов вряд ли может опреде­ ляться только адсорбционными процессами, как и при хроматогра­ фии на бумаге. Наряду с физической адсорбцией могут происхо­ дить процессы ионного обмена, распределения, комплексообразования, гидролиза; доля каждого из них зависит от ряда свойств системы — кислотности водной фазы, обменной емкости сорбента, его влажности и других.

Враспределительной ТСХ стационарной фазой обычно является сорбированная мелкодисперсным носителем вода или водные рас­ творы кислот, солей и т. п., а подвижная фаза представляет собой чаще всего смесь органических растворителей. Эффективным ока­ зывается метод распределительной ТСХ с обращенной фазой, в ко­ тором сорбент-носитель предварительно импрегнируют растворами органических веществ — экстрагентов, а подвижной фазой явля­ ются водные растворы. Основное уравнение распределительной хроматографии [283а]

рѵ*!ѵ*

Ri - m D+ ѵпіѵн

(где K d — коэффициент распределения веществ в данной системе; Ѵп — объем подвижной фазы; Ѵн — объем неподвижной фазы) применимо, очевидно, и в случае хроматографии в тонкослойном варианте. Считается, что разделение двух веществ практически

возможно, если R f — Rf > 0 ,1 .

В литературе отмечается, что в случае использования хромато­ графии на бумаге (а также, очевидно, и в тонком слое сорбентаносителя) как в прямо-, так и в обратнофазном варианте можно говорить в какой-то мере об аналогии происходящего процесса разделения ионов с экстракционным разделением, т. е. с распреде­ лением вещества между двумя жидкими фазами — экстрагентом и водным раствором. При этом величина Rf, характеризующая поло­ жение зоны иона на хроматограмме, связана с коэффициентом рас­ пределения K d в данной экстракционной (хроматографической) системе следующим соотношением (из основного уравнения рас­

15

пределительной хроматографии) в обратнофазной хроматографии :

Ко = в (1/Ri - 1),

где В — постоянная величина, равная отношению объемов подвиж­ ной и неподвижной фаз на хроматограмме.

На этом основании можно подбирать хроматографические систе­ мы для разделения ионов, основываясь на известных в литературе значениях коэффициентов распределения элементов, определенных экстракционным методом. Однако в этом случае следует учитывать роль носителя в процессе распределения. Поэтому при обратно­ фазной распределительной хроматографии в тонком слое предпочи­ тают использовать инертные носители.

Эффективность выбранной хроматографической системы можно оценить по фактору разделения,который рассчитывается поформуле:

(в тонком слое, на бумаге), с другой стороны, может быть простым, наглядным и быстрым способом изучения экстракционных систем в'зависимости от многих факторов — состава водной фазы, добавок

а также для сравнения разделяющей способности различных эк­ страгентов. При этом существенно упрощается методика экспери­ мента и сокращается требуемое для его выполнения время.

При адсорбционно-распределительном механизме хроматогра­ фического процесса в случае использования активных пористых носителей и расслаивающихся растворов в качестве подвижной и неподвижной фаз адсорбционная активность твердой фазы прояв­ ляется, с одной стороны, в адсорбции разделяемых компонентов на ее поверхности, а с другой стороны — в изменении состава неподвижной фазы и соотношения объемов подвижной и неподвиж­ ной фаз. Неподвижная фаза в данном случае является полимолекулярным адсорбционным слоем, заполняющим капилляры пористого носителя. Этот механизм хроматографического процесса описы­

подвижной фазы; <хх — объем жидкой неподвижной фазы; a/ß — соотношение объемов неподвижной и подвижной фаз; ср — энергия “взаимодействия двух молекул.

Разделение веществ по ионообменному механизму в ТСХ может происходить как при использовании специальных ионообменных

16

материалов для приготовления тонкого слоя сорбента (например, ионообменные смолы, целлюлозы), так и в результате взаимодей­ ствия с гидроксильными группами некоторых сорбентов (целлю­ лозы, силикагель). При разделении по распределительному меха­ низму чаще всего стараются устранить ионообменные свойства сорбентов-носителей (силиконирование и пр.).

Как и в случае ионообменной хроматографии на бумаге \ существует линейная зависимость между pH элюирующего раствора и так называемым параметром миграции зон (Rm):

.ѵрН = R m const,

где Rm = lg (IIRf — 1).

МЕТОДИЧЕСКИЕ ВАРИАНТЫ И ФОРМЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Хроматографическое разделение веществ в ТСХ может осущест­ вляться различными способами. Тонкослойная хроматография, в том числе и неорганическая, в зависимости от ряда условий (соот­ ношение компонентов в разделяемой смеси, их сорбционные свой­ ства и т. д.) может осуществляться в различных методических ва­ риантах: хроматография с элюентом постоянного и переменного состава, градиентная хроматография, двумерная и повторная хро­ матография, хроматография в условиях поперечного размывания пятен и др.

Слой сорбента на пластинке может быть закрепленным (гипсом, крахмалом) или незакрепленным, свободно насыпанным на пла­ стинку. В неорганической ТСХ чаще всего работают на закреплен­ ном слое сорбента.

Подвижная фаза может поступать на пластинки снизу вверх под действием капиллярных сил (восходящая хроматография) или сверху вниз (нисходящая хроматография). В нисходящем методе для подачи подвижного растворителя применяют специальные при­ способления.

Для развития хроматографического процесса пластинки с за­ крепленным слоем погружают в камеру вертикально, а с незакреп­ ленным — под углом 15—20° или горизонтально (горизонтальная хроматография).

Специальные камеры и приборы для проведения хроматографии восходящим, нисходящим и горизонтальными способами подробно описаны в [1, стр. 33—40; 90, стр. 26—31; 288].

При горизонтальном (или нисходящем) хроматографировании в зависимости от способа подачи подвижной фазы следует особо от­ метить круговой и поточный методы. Последний метод, при котором

1 См. Варшал Г. М . Ж- аналит. химии, 27, 904 (1972).

17

Гео.щб"*4**’’

с помощью специальных устройств свежий растворитель подается на пластинку непрерывно, может быть применен для лучшего раз­ деления веществ с близкими значениями Rf. О круговом методе подробнее будет сказано ниже.

В некоторых случаях рекомендуют для удобства метод ТСХ на пластинках видоизменять. Например, описана модификация метода хроматографии в тонком слое сорбента на специальных

лишки сорбента снимают плоской пластинкой, благодаря чему в желобках получается слой сорбента строго определенной тол­ щины. На одной пластинке можно одновременно анализировать до 10 проб, причем ребра предотвращают смешение зон.

Для анализа раствора образца объемой в несколько миллилитров предложено применять простое приспособление—• цилиндр, на на­ ружную поверхность которого тонкий слой сорбента наносится погружением в сосуд с суспензией [213]. Анализируемый раствор заливают внутрь цилиндра, откуда потом через маленькое отвер­ стие в дне он поступает на цилиндрическую поверхность слоя сор­ бента, нанесенного снаружи цилиндра. Таким образом подается затем и подвижный растворитель.

Для разделения веществ с близкими значениями Rf предложено применять так называемую коническую ТСХ [392], при которой слой сорбента наносят на внутреннюю поверхность стеклянного усеченного конуса. Однако техника работы при этом усложняется.

Для устранения трудностей, возникающих при определении зависимости между количеством определяемого вещества и пло­ щадью пятна в результате размытия зон и неравномерного распре­ деления вещества в пятне, предлагают метод канальной ТСХ [125, 287] как способ количественной оценки тонкослойных хроматограмм, заключающийся в следующем.

На готовых пластинках с тонким слоем сорбента (силикагеля) нарезают воронкообразные каналы шириной 2 мм и длиной 50 мм. На расширяемую нижнюю часть канала наносят анализируемые пробы и хроматографируют восходящим способом. После проявле­ ния хроматограмм образуются пятна резко ограниченной прямо­ угольной формы, площадь которых можно точно измерить.

В том случае, если при определении микропримесей макрокомпо­ нент продвигается первым вслед за фронтом растворителя, иногда используют метод повторной хроматографии или метод с размыва­ нием хроматографического пятна в поперечном направлении, ко­ торое достигается применением слоя сорбента в виде треугольника с вершиной в стартовой точке. При движении по такому слою поток подвижной фазы направлен под углом к направлению дви­ жения разделяемых компонентов, что приводит к образованию узких поперечных зон и к их резкому разграничению в области широкой части слоя. Такой способ проведения хроматографиро­

18'