Файл: Волынец М.П. Тонкослойная хроматография в неорганическом анализе [Текст] 1974. - 151 с.pdf

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