Бёккер Ю.
Хроматография.
Инструментальная аналитика: методы хроматографии и капиллярного электрофореза
Москва: Техносфера, 2009. - 472., ISBN 978-5-94836-212-0
Хроматография относится к важнейшим процессам инструментальной аналитики. Прежде всего, она играет важную роль в таких областях науки как химия, биохимия и аналитика окружающей среды при определении малых количеств органических субстанций.
Книга представляет собой введение в основы хроматографических процессов и специальных методов капиллярного электорофореза; наряду с базовыми знаниями предлагается информация о новейших разработках в этих областях. При рассмотрении аналитических процессов в ходе сравнительного анализа описаны различные области их применения, а также преимущества и недостатки каждого метода в отдельности. Для полноты понимания отдельных методов каждое описание подкреплено соответствующими теоретическими выкладками.
Книга предназначена для специалистов в области инструментальных методов исследования химических процессов, для студентов и аспирантов-химиков.
Перевод книги:
Jürgen Böcker
Chromatographie Instrumentelle Analytik mit Chromatographie und Kapiliarelektrophorese
© 1997, Vogel Industrie Medien GmbH & Co KG, Wurzburg (Germany).
Содержание:
Предисловие .............................................................................................................. 17
Предисловие автора .................................................................................................. 18
Глава 1. Введение ...................................................................................................... 22
1.1. Знание – сила ............................................................................................... 27
Глава 2. Техника хроматографии ............................................................................. 29
2.1. История хроматографии .............................................................................. 29
2.1.1. Путь развития ....................................................................................... 31
2.2. Принцип ....................................................................................................... 33
2.2.1. Классификация по типу агрегатного состояния фаз ......................... 34
2.2.2. Классификация по типу процесса разделения ................................... 34
2.2.3. Классификация по технике проведения............................................. 36
2.3. Теоретические основы.................................................................................. 36
2.3.1. Хроматографический процесс............................................................. 36
2.3.2. Уширение зон ....................................................................................... 38
2.4. Колоночная хроматография ........................................................................ 40
2.4.1. Хроматограмма и что она дает ............................................................. 41
2.4.2. Теоретические тарелки ......................................................................... 43
2.4.3. Диаграмма Ван-Деемтера .................................................................... 44
2.4.4. Аппаратура ............................................................................................ 46
2.4.4.1. Система насосов ........................................................................... 46
2.4.4.2. Ввод пробы ................................................................................... 46
2.4.4.3. Хроматографическая колонка ..................................................... 47
2.4.4.4. Детектор ........................................................................................ 47
2.5. Интеграторы ................................................................................................. 53
2.5.1. Преимущества интеграторов ............................................................... 54
2.5.2. Процесс интегрирования ..................................................................... 54
2.5.3. Критерии выбора при приобретении интегратора ............................ 56
Глава 3. Газовая хроматография ............................................................................... 58
3.1. Принцип ....................................................................................................... 59
3.2. Система подачи газа ..................................................................................... 60
3.2.1. Поток газа-носителя ............................................................................ 61
3.2.2. Работа с хроматографическими колонками ....................................... 62
3.2.2.1. Регулятор давления ...................................................................... 62
3.2.2.2. Регулятор потока .......................................................................... 63
3.3. Колонки для газовой хроматографии ......................................................... 64
3.3.1. Наполненные колонки ........................................................................ 65
3.3.2. Капиллярные колонки ......................................................................... 67
3.3.2.1. Фазовое отношение ..................................................................... 69
3.3.3. Выбор колонки ..................................................................................... 70
3.3.3.1. Полярность фаз ............................................................................ 72
3.3.3.2. Внутренний диаметр колонки ..................................................... 73
3.3.3.3. Оптимальная толщина пленки.................................................... 74
3.3.3.4. Выбор длины колонки ................................................................. 75
3.3.3.5. Анализ газов ................................................................................. 76
3.3.4. Переключение колонок ....................................................................... 76
3.4. Термостаты .................................................................................................... 78
3.5. Систематическое развитие метода ГХ ........................................................ 81
3.6. Ввод пробы.................................................................................................... 83
3.6.1. Газообразные пробы ............................................................................. 83
3.6.1.1. Газонепроницаемые шприцы ...................................................... 84
3.6.1.2. Газодозирующие петли и многоходовые краны ......................... 84
3.6.2. Жидкие пробы ...................................................................................... 85
3.6.2.1. Ввод пробы с помощью испарения ............................................. 87
3.6.3. Подача пробы на капиллярные колонки ....................................... 87
3.6.3.1. Классические методы ввода пробы............................................. 88
3.6.3.2. Ввод пробы непосредственно в колонку (On-column) .............. 90
3.6.3.3. Холодная система ввода пробы ................................................... 92
3.6.4. Ввод пробы с помощью дозирующей петли ....................................... 93
3.6.5. Твердые пробы ...................................................................................... 93
3.6.6. Пиролиз ................................................................................................ 94
3.6.7. Нестабильные образцы ........................................................................ 95
3.6.8. Уплотняющая прокладка инжектора .................................................. 95
3.6.8.1. Ввод пробы без уплотняющей прокладки .................................. 97
3.7. Газохроматографические детекторы ........................................................... 98
3.7.1. Основные характеристики детектора ................................................. 99
3.7.1.1. Концентрационные детекторы ................................................... 99
3.7.1.2. Массовые детекторы .................................................................. 100
3.7.1.3. Дополнительный поток газа ...................................................... 100
3.7.1.4. Обзор детекторов в ГХ ............................................................... 101
3.7.2. Детектор по теплопроводности ......................................................... 102
3.7.3. Пламенно-ионизационный детектор ............................................... 105
3.7.4. Детектор электронного захвата ......................................................... 107
3.7.5. Азотно-фосфорный детектор ............................................................ 109
3.7.6. Пламенно-фотометрический детектор ............................................. 110
3.7.7. Детектор по электролитической проводимости .............................. 112
3.7.8. Фотоионизационный детектор ......................................................... 113
3.7.9. Детектор дальнего УФ диапазона ...................................................... 114
3.7.10. Гелиевый ионизационный детектор ................................................ 115
3.7.11. Редокс-хемилюминесцентный детектор ......................................... 115
3.8. Комбинированные методы газовой хроматографии................................ 116
3.8.1. Масс-спектрометр .............................................................................. 117
3.8.1.1. Квадрупольный масс-спектрометр ........................................... 120
3.8.1.2. Работа с ГХ-МС ......................................................................... 122
3.8.1.3. Химическая ионизация ............................................................. 125
3.8.1.4. Метод изотопного разбавления в МС-ГХ ................................ 125
3.8.1.5. Техника ГХ-МС/МС .................................................................. 126
3.8.2. ГХ-ИК-Фурье ..................................................................................... 128
3.8.2.1. Комбинация ГХ-ИК-Фурье и МС ............................................ 131
3.8.3. Атомно-эмиссионный детектор ........................................................ 133
3.8.4. Комбинация ЖХ-ГХ .......................................................................... 135
3.9. Какой детектор нужно применять для какой пробы? .............................. 136
3.10. Выбор газа-носителя ................................................................................ 136
3.10.1. Дополнения по очистке газа-носителя ........................................... 139
3.11. Многомерная ГХ ...................................................................................... 140
3.11.1. Коллектор фракций в ГХ ................................................................. 143
3.12. Высокотемпературная газовая хроматография ...................................... 143
3.12.1. Колонки для ВTГХ ........................................................................... 144
3.12.2. Инструментальные условия ............................................................. 145
3.13. Анализ паровой фазы (Headspace анализ) .............................................. 147
3.13.1. Практика проведения анализа паровой фазы ................................ 148
3.13.1.1. Статический анализ паровой фазы ......................................... 148
3.13.1.2. Динамический анализ паровой фазы...................................... 150
3.13.2. Основы количественного анализа паровой фазы .......................... 151
3.13.3. Холодная система ввода как метод обогащения ............................ 152
3.14. Выводы и обзор ......................................................................................... 153
3.14.1. Хроматографические колонки ........................................................ 154
3.14.1.1. Разделение энантиомеров ........................................................ 156
3.14.1.2. Скоростные анализы (экспресс-ГХ) ....................................... 157
3.14.1.3. Высокотемпературная ГХ ........................................................ 158
3.14.2. Приборы/методики .......................................................................... 158
3.14.2.1. Пробоподготовка...................................................................... 159
3.14.2.2. Ввод пробы ............................................................................... 160
3.14.2.3. Программирование давления газа-носителя.......................... 160
3.14.2.4. Многомерная колоночная техника ......................................... 162
3.14.2.5. Детектирование/методы гибридизации.................................. 162
3.14.2.6. Программное обеспечение ...................................................... 165
3.14.2.7. Миниатюризация ..................................................................... 166
3.14.2.8. Полевой анализ ........................................................................ 166
Глава 4. Высокоэффективная жидкостная (колоночная) хроматография.......... 168
4.1. ВЭЖХ оборудование .................................................................................. 171
4.2. Насосы для ВЭЖХ...................................................................................... 172
4.2.1. Шприцевые насосы периодического действия ................................ 173
4.2.2. Насосы непрерывного действия........................................................ 174
4.3. Градиентное элюирование ......................................................................... 178
4.3.1. Градиент низкого давления................................................................ 181
4.3.2. Градиент высокого давления ............................................................. 183
4.3.3. Оптимизация градиента ..................................................................... 185
4.4. Системы ввода пробы ................................................................................ 185
4.4.1. Ввод пробы через прокладку ............................................................. 186
4.4.2. Дозирующая петля ............................................................................. 186
4.5. Колонки для ВЭЖХ ................................................................................... 188
4.5.1. Нормальнофазовая хроматография .................................................. 189
4.5.2. Химически привитые полярные фазы .............................................. 190
4.5.2.1. Диольная фаза ............................................................................ 191
4.5.2.2. NH2 фаза ..................................................................................... 191
4.5.2.3. CN фаза ....................................................................................... 192
4.5.3. Обращеннофазовая хроматография .................................................. 192
4.5.4. Эксклюзионная хроматография ........................................................ 196
4.6. Выбор методов ВЭЖХ анализа .................................................................. 201
4.6.1. Пробоподготовка ............................................................................... 201
4.6.2. Хроматографическое разделение ...................................................... 202
4.6.2.1. Условия нормальнофазовой хроматографии ........................... 203
4.6.2.2. Условия обращеннофазовой хроматографии ........................... 206
4.6.3. Оптимизация растворителя ............................................................... 207
4.6.3.1. Компьютерная оптимизация ..................................................... 207
4.6.4. Детектирование .................................................................................. 209
4.7. ВЭЖХ детекторы ........................................................................................ 210
4.7.1. Общие требования к ВЭЖХ детекторам ........................................... 210
4.7.2. Детекторы УФ- и видимого диапазона ............................................. 212
4.7.3. Детектор с диодной линейкой ........................................................... 217
4.7.4. Дифференциальный рефрактометр .................................................. 221
4.7.5. Флуоресцентный детектор ................................................................. 222
4.7.5.1. Флуоресценция и фосфоресценция .......................................... 223
4.7.5.2. Применение флуоресцентного детектора................................. 225
4.7.6. Электрохимический детектор ........................................................... 227
4.7.7. Детекторы светорассеяния ................................................................ 229
4.7.8. Специальные детекторы .................................................................... 231
4.7.9. Транспортные детекторы ................................................................... 231
4.7.10. Комбинированные методы ВЭЖХ.................................................. 232
4.7.10.1. Хромато-масс-спектрометрия (ВЭЖХ-МС) .......................... 232
4.7.10.2. ВЭЖХ-ИК ................................................................................ 236
4.7.10.3. ВЭЖХ-ЯМР .............................................................................. 237
4.7.10.4. ВЭЖХ индукционносвязанная плазма (ИСП) ...................... 237
4.7.10.5. ВЭЖХ-ГХ ................................................................................. 237
4.8. Производственная ВЭЖХ .......................................................................... 238
4.9. Миниатюризация ВЭЖХ ........................................................................... 240
4.9.1. Микроколоночная техника ............................................................... 241
4.9.1.1. Преимущества микроколоночной хроматографии.................. 242
4.9.2. Капиллярная ЖХ................................................................................ 243
4.9.2.1. Преимущества капиллярной ЖХ .............................................. 244
4.9.2.2. Системные ошибки микрометода ............................................. 246
4.10. Препаративная ВЭЖХ ............................................................................. 248
4.11. Выводы ...................................................................................................... 250
4.11.1. Сравнение ГХ-ВЭЖХ ...................................................................... 250
4.11.1.1. Хроматографические колонки ................................................ 252
4.11.1.2. Детекторы ................................................................................. 254
4.11.1.3. Приборы ................................................................................... 254
4.11.2. ВЭЖХ в экологическом анализе и анализе пищевых продуктов .... 254
4.11.3. ВЭЖХ в лекарственном анализе ..................................................... 255
4.11.4. ВЭЖХ в биомедицинском анализе ................................................. 256
4.11.5. Подготовка проб ............................................................................... 257
4.11.6. ВЭЖХ колонки ................................................................................. 258
4.11.6.1. Другие фазы .............................................................................. 258
4.11.6.2. Новые материалы ..................................................................... 259
4.11.6.3. Миниатюризация ..................................................................... 259
4.11.7. Детекторы ......................................................................................... 260
4.11.8. Системы обработки результатов ...................................................... 261
4.11.9. Перспективы высокоэффективного анализа ................................. 261
Глава 5. Тонкослойная хроматография ................................................................. 263
5.1. ТСХ анализ.................................................................................................. 266
5.2. Стационарные фазы (сорбенты) ............................................................... 267
5.2.1. Химический состав и структура ........................................................ 267
5.2.1.1. Силикагель ................................................................................. 267
5.2.1.2. Оксид алюминия ........................................................................ 268
5.2.1.3. Целлюлоза .................................................................................. 269
5.2.1.4. Полиамид .................................................................................... 269
5.2.1.5. Обращеннофазовая ТСХ............................................................ 269
5.2.1.6. Специальные покрытия ............................................................. 270
5.2.2. Характеристики зернения и пористости .......................................... 270
5.2.3. Параметр слоя .................................................................................... 271
5.2.4. Готовые пластинки ............................................................................. 271
5.3. Подготовка пластинок ............................................................................... 272
5.3.1. Активация ........................................................................................... 272
5.3.2. Хранение и очистка ............................................................................ 273
5.4. Подвижная фаза ......................................................................................... 273
5.4.1. Насыщение камеры ............................................................................ 274
5.5. Подготовка проб ......................................................................................... 275
5.6. Нанесение проб .......................................................................................... 276
5.6.1. Нанесение пробы с помощью капилляра ......................................... 278
5.6.2. Системы нанесения с регулируемым объемом пробы ..................... 279
5.6.3. Контактное нанесение ....................................................................... 280
5.6.4. Автоматические устройства для нанесения пробы .......................... 281
5.7. Проявление хроматограммы ..................................................................... 282
5.7.1. Элюент ................................................................................................ 283
5.7.2. Типы камер ......................................................................................... 283
5.7.2.1. Нормальная камера .................................................................... 284
5.7.2.2. Двойная камера .......................................................................... 284
5.7.2.3. Камера типа сэндвич (S-камера) .............................................. 285
5.7.3. Простая хроматография ..................................................................... 285
5.7.4. Одномерное многократное разделение ............................................ 286
5.7.5. Двумерное разделение ....................................................................... 286
5.7.6. Камера для автоматического разделения ......................................... 287
5.7.7. Камера для линейной высокоэффективной тонкослойной
хроматографии ................................................................................... 288
5.7.8. Инструментальное многократное разделение ................................. 289
5.7.9. Планарная хроматография ................................................................ 292
5.7.9.1. Принцип U-камеры ................................................................... 293
5.7.9.2. Особенности кругового разделения .......................................... 293
5.7.9.3. Принцип мокрого нанесения .................................................... 294
5.7.10. Антикруговое элюирование ............................................................. 295
5.7.11. Методы с принудительным потоком .............................................. 296
5.8. Обработка тонкослойной хроматограммы ............................................... 297
5.8.1. УФ детектирование ............................................................................ 298
5.8.2. Детектирование с помощью дериватизации .................................... 298
5.8.3. Качественный анализ ........................................................................ 299
5.8.4. Разделяющая способность метода ТСХ ............................................ 301
5.8.5. Количественный анализ .................................................................... 302
5.8.5.1. Визуальное сравнение................................................................ 302
5.8.5.2. Экстракция ................................................................................. 303
5.8.5.3. Спектроскопические методы .................................................... 304
5.8.6. Методы денситометрии ..................................................................... 308
5.8.7. Интегрирование ................................................................................. 310
5.8.8. Комбинированные методы ................................................................ 311
5.9. Достоверность результатов ТСХ анализа .................................................. 312
5.10. Сравнение ТСХ и ВЭЖХ.......................................................................... 312
5.11. Выводы и перспективы ............................................................................ 315
5.11.1. ТСХ как метод скрининга ................................................................ 316
5.11.2. ТСХ как микроаналитический метод анализа ................................ 316
5.11.3. Современные методы разделения ................................................... 316
5.11.4. Заключение ....................................................................................... 317
Глава 6. Ионная хроматография ............................................................................ 319
6.1. Ион-парная хроматография ...................................................................... 320
6.2. Ионообменная хроматография ................................................................. 322
6.2.1. Механизм разделения ........................................................................ 323
6.2.2. Химическое подавление .................................................................... 325
6.2.2.1. Двухколоночные системы ......................................................... 326
6.2.2.2. Подавитель с мембраной из пустотелого волокна ................... 328
6.2.2.3. Электрохимическое подавление ............................................... 330
6.2.3. Электронное подавление ................................................................... 332
6.2.3.1. Анализ анионов .......................................................................... 332
6.2.3.2. Анализ катионов ........................................................................ 334
6.2.4. Концентрирование пробы в ИХ........................................................ 335
6.3. Разделение переходных металлов.............................................................. 336
6.3.1. Кислородсодержащие анионы переходных металлов ..................... 336
6.3.2. Комплексы переходных металлов ..................................................... 336
6.4. Ионная эксклюзионная хроматография ................................................... 337
6.5. Возможности детектирования ................................................................... 339
6.5.1. Детектор по электропроводности ..................................................... 339
6.5.1.1. Линейность ................................................................................. 339
6.5.1.2. Разрешение ................................................................................. 340
6.5.1.3. Фоновый шум ............................................................................. 340
6.5.1.4. Температурная компенсация ..................................................... 341
6.5.1.5. Использование детектора проводимости в одноколоночной
системе........................................................................................ 342
6.5.2. Амперометрический детектор ........................................................... 342
6.5.3. УФ детектирование ............................................................................ 344
6.5.3.1. Постколоночная дериватизация ............................................... 345
6.5.3.2. Косвенная УФ детекция ............................................................ 347
6.5.3.3. Комбинирование ионной хроматографии с оптической
эмиссионной спектрометрией и масс-спектрометрией
с индукционно-связанной плазмой ......................................... 348
6.6. Параллельный ионный хроматограф ........................................................ 349
6.7. Колонки для ионообменной хроматографии ........................................... 350
6.8. Варианты применения ............................................................................... 351
6.8.1. ИХ в химии электроэнергетики ........................................................ 352
6.8.2. ИХ в гальванотехнической промышленности ................................. 352
6.8.3. ИХ в полупроводниковой промышленности ................................... 355
6.8.4. ИХ в пищевой промышленности ...................................................... 356
6.8.5. Другие возможности применения..................................................... 356
6.9. Выводы и перспективы .............................................................................. 357
Глава 7. Капиллярный электрофорез .................................................................... 358
7.1. История и развитие .................................................................................... 359
7.2. Физические основы и принцип разделения ............................................. 360
7.2.1. Электрофорез ..................................................................................... 362
7.2.2. Электроосмотический поток ............................................................. 363
7.2.3. Процесс разделения ........................................................................... 364
7.2.4. Электродисперсия .............................................................................. 365
7.3. Различные методы разделения .................................................................. 367
7.3.1. Капиллярный зонный электрофорез ................................................ 368
7.3.2. Мицеллярная электрокинетическая хроматография....................... 371
7.3.3. Капиллярный гельэлектрофорез ....................................................... 374
7.3.4. Капиллярная изоэлектрофокусировка ............................................. 375
7.3.5. Капиллярный изотахофорез .............................................................. 376
7.4. Оборудование ............................................................................................. 378
7.4.1. Ввод пробы ......................................................................................... 379
7.4.1.1. Гидродинамический ввод ........................................................... 380
7.4.1.2. Электрокинетический ввод ....................................................... 381
7.4.1.3. Методы концентрирования ....................................................... 381
7.4.2. Капилляр ............................................................................................ 382
7.4.2.1. Кондиционирование.................................................................. 382
7.4.2.2. Термостатирование .................................................................... 383
7.4.2.3. Высоковольтный источник тока ............................................... 383
7.4.3. Детектирование .................................................................................. 383
7.4.3.1. Поглощение в УФ- и видимой области .................................... 384
7.4.3.2. Примечания к количественному анализу ................................ 386
7.4.3.3. Капилляры с увеличением оптического пути .......................... 386
7.4.4. КЭ оборудование ................................................................................ 388
7.5. Значение ИХ и КЭ в ионном анализе ....................................................... 389
7.5.1. Примеры использования ................................................................... 391
7.6. Выводы и перспективы .............................................................................. 394
7.6.1. Капилляры .......................................................................................... 395
7.6.2. Детектирование .................................................................................. 396
7.6.3. Приложения ....................................................................................... 397
7.6.4. Новые направления ........................................................................... 399
Глава 8. Сверхкритическая флюидная хроматография ........................................ 400
8.1. Физические основы.................................................................................... 400
8.1.1. Что такое сверхкритический флюид? ............................................... 401
8.1.2. Свойства сверхкритического флюида............................................... 402
8.1.3. Сверхкритический флюид как подвижная фаза .............................. 402
8.2. Оборудование ............................................................................................. 403
8.2.1. Градиенты............................................................................................ 404
8.3. Подвижные и стационарные фазы ............................................................ 405
8.4. Детекторы ................................................................................................... 406
8.5. Сравнение СКФХ с ГХ и ВЭЖХ ............................................................... 407
8.6. Применение ................................................................................................ 409
8.6.1. Полимеры ........................................................................................... 409
8.6.2. Мономеры........................................................................................... 410
8.6.3. Пестициды .......................................................................................... 411
8.7. Сверхкритическая флюидная экстракция ................................................ 412
8.7.1. Оборудование ..................................................................................... 414
8.7.1.1. Системы насосов ........................................................................ 415
8.7.1.2. Экстракционные сосуды и печи................................................ 416
8.7.1.3. Рестрикторы ............................................................................... 416
8.7.1.4. Концентрирование проб............................................................ 417
8.7.2. Автономная СКФЭ ............................................................................ 417
8.7.3. Комбинирование СКФЭ-ГХ ............................................................. 418
8.7.3.1. Динамическая экстракция ........................................................ 420
8.7.3.2. Статическая экстракция ............................................................ 420
8.8. Применения ................................................................................................ 421
8.9. Выводы и обзор .......................................................................................... 422
8.9.1. Экстракция сверхкритическими флюидами (СКФЭ) ..................... 423
Глава 9. Качество анализа ...................................................................................... 426
9.1. Достоверность результатов ........................................................................ 429
9.2. Условия практики ....................................................................................... 431
9.3. Обеспечение качеств аналитических определений .................................. 432
9.4. Система управления лабораторными данными ....................................... 437
9.4.1. Интеграция в рамках проектов с применением системы
администрирования хроматографической информации ................ 439
9.4.2. Экономичность систем администрирования лабораторной
информации ....................................................................................... 439
9.5. Проблема экологического анализа ........................................................... 441
9.5.1. Экоаудит ............................................................................................. 443
9.5.2. Методы Агентства защиты окружающей среды ............................... 444
9.5.3. Правильный экологический анализ ................................................. 444
9.5.4. Юридическая строгость решения ..................................................... 445
9.5.5. Проблема отбора проб ....................................................................... 446
9.5.6. Заключительные выводы ................................................................... 447
Список фирм ............................................................................................................ 449
Литература............................................................................................................... 454
Дополнительная литература .................................................................................... 466
Список сокращений ................................................................................................. 469