ХРОМАТОГРАФИЯ, метод разделения, анализа и физических-химический исследования веществ. Обычно основана на распределении исследуемого вещества между двумя фазами - неподвижной и подвижной (элюент).
Неподвижная фаза главным образом представляет собой сорбент с развитой поверхностью, а подвижная - поток газа (пара, флюида -в-во в сверхкритической состоянии) или жидкости. Поток подвижной фазы фильтруется через слой сорбента или перемещается вдоль слоя сорбента.

Основные виды хроматографии. В зависимости от агрегатного состояния подвижной фазы различают газовую, флюидную (или сверхкритической ХРОМАТОГРАФИЯ с флюидом в качестве элюента; см. Капиллярная хроматография)и жидкостную ХРОМАТОГРАФИЯ В качестве неподвижной фазы используют твердые (или твердообразные) тела и жидкости. В соответствии с агрегатным состоянием подвижной и неподвижной фаз различают следующие виды ХРОМАТОГРАФИЯ: 1) газо-твердофазную X., или газоадсорбционную хроматографию; 2) газо-жидкостную хроматографию (газо-жидко-твердофазную); 3) жндко-твердофазную ХРОМАТОГРАФИЯ; 4) жидко-жидкофазную X.; 5) флюидно-твердофазную ХРОМАТОГРАФИЯ; 6) флюидно-жидко-твердофазную ХРОМАТОГРАФИЯ
Строго говоря, газо-жидкостная ХРОМАТОГРАФИЯ пока не реализована, на практике используют только газо-жидко-твердо-фазную X. (см. Газовая хроматография). Жидко-жидкофазная ХРОМАТОГРАФИЯ реализована, однако преимущественно используют жидко-жидко-твердо-фазную ХРОМАТОГРАФИЯ (неподвижной фазой служит твердый носитель с нанесенной на его поверхность жидкостью; см. Жидкостная хроматография).
По механизму разделения веществ различают адсорбционную, распределительную, ионообменную, эксклюзионную, аффинную (биоспецифическую), осадочную ХРОМАТОГРАФИЯ На практике часто реализуется одновременно несколько механизмов разделения (например, адсорбционно-распределителъный, адсорбционно-эксклюзионный и т. д.).
По геометрии сорбционного слоя неподвижной фазы различают колоночную и плоскослойную ХРОМАТОГРАФИЯ К плоскослойной относятся тонкослойная хроматография и бумажная хроматография. В колоночной X. обычно выделяют капиллярную ХРОМАТОГРАФИЯ, в которой сорбент расположен на внутр. стенках колонки, а центр, часть колонки остается незаполненной сорбентом, т.е. открытой для потока элюента (X. на открытых капиллярных колонках).
В зависимости от способа ввода пробы и способа перемещения хроматографич. зон по слою сорбента различают следующей варианты ХРОМАТОГРАФИЯ: проявительный (или элюентный), фронтальный и вытеснительный. В наиболее часто используемом проявительном варианте анализируемую смесь периодически импульсно вводят в поток подвижной фазы; в колонке анализируемая смесь разделяется на отдельные компоненты, между к-рыми находятся зоны подвижной фазы.
Во фронтальном варианте ХРОМАТОГРАФИЯ пробу, содержащую разделяемые вещества, непрерывно подают в колонку. Можно также подавать в колонку одновременно пробу и подвижную фазу. Во фронтальной ХРОМАТОГРАФИЯ только первый, наименее сорбируемый компонент можно получить в чистом виде на выходе из колонки, вторая и последующая зоны содержат по два и более компонентов разделяемой смеси.
В вытеснительном варианте ХРОМАТОГРАФИЯ в колонку после подачи разделяемой смеси вводят спец. вещество (так называемой вытеснитель), которое сорбируется лучше любого из разделяемых компонентов. В вытеснительной X. образуются примыкающие друг к другу зоны разделяемых веществ. Во фронтальном и вытеснительном вариантах ХРОМАТОГРАФИЯ необходима регенерация колонки перед следующей опытом.

Основы хроматографич. процесса. Для проведения хроматографич. разделения веществ или определения их физических-химический характеристик обычно используют спец. приборы - хроматографы. Осн. узлы хроматографа - хроматографич. колонка, детектор, а также устройство для ввода пробы. Колонка, содержащая сорбент, выполняет функцию разделения анализируемой смеси на составные компоненты, а детектор -функцию их количественное определения. Детектор, расположенный на выходе из колонки, автоматически непрерывно определяет концентрацию разделяемых соединений в потоке подвижной фазы (см. Детекторы хроматографические).
После ввода анализируемой смеси с потоком подвижной фазы в колонку зоны всех веществ расположены в начале хроматографич. колонки (рис. 1). Под действием потока подвижной фазы компоненты смеси начинают перемещаться вдоль колонки с различные скоростями, величины которых обратно пропорциональны коэффициентам распределения К (или константам распределения) хроматографируемых компонентов. Хорошо сорбируемые вещества, значения констант распределения для которых велики, передвигаются вдоль слоя сорбента по колонке медленнее, чем плохо сорбируемые. Поэтому быстрее всех из колонки выходит компонент А, затем компонент Б и последним покидает колонку компонент В (К_А<К_Б<К_В). Сигнал детектора, величина которого пропорциональна концентрации определяемого вещества в потоке элюента, автоматически непрерывно записывается и регистрируется (например, на диаграммной ленте). Полученная хроматограмма отражает расположение хроматографич. зон на слое сорбента или в потоке подвижной фазы во времени.

Рис. 1. Разделение смеси из трех компонентов (А, Б и В) на хроматографической колонке К с детектором Д: а - положение хроматографических зон разделяемых компонентов в колонке через определенные интервалы времени; б - хроматограмма (С - сигнал, t - время).

При плоскослойном хроматографич. разделении лист бумаги или пластину со слоем сорбента с нанесенными пробами исследуемого в-ва помещают в хроматографич. камеру. После разделения компоненты определяют любым подходящим методом.

Основные величины удерживания и качественный анализ. Хроматограмма - первичный результат хроматографич. разделения. Используя хроматограмму, можно определять основные характеристики хроматографич. процесса: параметры удерживания, размывания и разделения хроматографируемых соединений. Осн. характеристика вещества при колоночной ХРОМАТОГРАФИЯ (если температура колонки, состав подвижной фазы и ее скорость постоянны) - объем удерживания (или время удерживания в случае жидкостной А.), который для i-го компонента зависит от его константы распределения K_i.
Если неподвижная фаза - твердое тело, на поверхность которого нанесена в форме тонкого слоя неподвижная жидкая фаза (НЖФ), удерживание определяется как абсорбцией разделяемых соединений слоем НЖФ, так и их адсорбцией поверхностями раздела: подвижная фаза - НЖФ и НЖФ - твердое тело. Для качеств. характеристики хроматографируемых соединений преимущественно применяют относит. величины удерживания, поскольку эти величины в меньшей мере, чем абс. величины, зависят от условий эксперимента.
Для характеристики относит. времени удерживания в ХРОМАТОГРАФИЯ используют системы с двумя стандартами, в качестве которых в наиболее распространенной системе индексов удерживания Ковача I_i применяют соединение одного гомологич. ряда. Эти стандарты выбирают таким образом, чтобы определяемое соединение выходило из колонки позже стандарта (например, алкана), молекула которого содержит z атомов углерода, и раньше стандарта, молекула которого содержит z + 1 атомов углерода. I_i определяют по формуле (рис. 2):

где- время удерживания алканаисправленные времена удерживания соответственно для алканов С_z и С_z+1 и i-го компонента; t_m - время удерживания несорбирующегося компонента.

Рис. 2. Определение индекса удерживания I_i с использованием н-алканов с числом атомов z и z + 1; пояснения в тексте.

Идентификацию пиков неизвестных компонентов анализируемой смеси проводят путем сопоставления (сравнения) относит. величин, определяемых непосредственно из хроматограммы, с соответствующими табличными данными для известных соединений. При идентификации в ХРОМАТОГРАФИЯ достоверен только отрицат. ответ; например, пик i не является веществом А, если времена удерживания пика i и вещества А не совпадают. Совпадение времен удерживания пика i и вещества А - необходимое, но недостаточное условие для заключения, что пик i - это вещество А.

Эффективность хроматографической колонки. При продвижении зон разделяемых соединений под действием потока подвижной фазы вдоль слоя сорбента происходит одновременно два противоположных процесса: возрастает расстояние между максимумами концентрации хроматографич. зон (что улучшает разделение) и увеличивается ширина хроматографич. зон (что ухудшает разделение). Качественно эффективность колонки тем выше, чем уже, острее зоны хроматографируемых соединений. Количеств. характеристикой эффективности колонки служит число теоретич. тарелоколо Эффективность колонки тем выше, чем больше характерное для нее число теоретич. тарелок N. Число N для i-го компонента вычисляют по уравению: , где и- соответственно время удерживания i-го компонента и ширина пика, измеренная на половине его высоты (рис. 3). Число N пропорционально квадрату числа пиков, которые можно разместить на хроматограмме на отрезке, соответствующем времени удерживания данного соединения.

Разделение. Разделение смеси соединение - основная цель аналит. и препаративной ХРОМАТОГРАФИЯ Для характеристики разделения трудноразделимых (критических) пар соединение используют особую величину - степень разделения (рис. 3):

где- время удерживания j-гo компонента; - исправленное время удерживания j-гo компонента; и- ширина хроматографич. зон, измеренная у основания пиков на хроматограмме,

Рис. 3. Определение степени разделения R_ij; пояснения в тексте.

Количественно зависимость степени разделения от параметров хроматографич. разделения отражает уравение Пернелла:

где a _ij - селективность разделения i-го и j-гo компонентов; k_j - коэффициент емкости (или коэффициент извлечения) компонента j, причем Как следует из этого уравения, степень разделения увеличивается с ростом эффективности колонки селективности (a _ij - 1) и емкости колонки k_j/(k_j + 1). Селективность разделения характеризуется величиной относит. удерживания r_ij:

где V_Rj и V_Ri - исправленный объем удерживания для j-гoи i-го компонентов; K_i и K_j - коэффициент распределения в системе неподвижная фаза - подвижная фаза для i-го и j-гo компонента. Величины r_ij достаточно инвариантны; они не зависят от таких условий эксперимента, как скорость газа-носителя, количество сорбента, длина колонки и т. п.
X. - один из основных методов количественное анализа органическое и неорганическое соединений. При постоянных условиях эксперимента величина сигнала детектора прямо пропорциональна концентрации i-го компонента в подвижной фазе, а площадь его пика на хроматограмме S_i - кол-ву анализируемого соединения. Долю i-го компонента в процентах в n-компонентной смеси рассчитывают по формуле:

где а_i и a_j - поправочные коэффициент, определяемые чувствительностью детектора к анализируемым в-вам. Предел обнаружения при использовании высокочувствительный детекторов составляет 10^-10%, обычно погрешность определения 0,1-20%.
Недостаток хроматографич. методов - периодичность анализа (показания запаздывают на время, равное продолжительности разделения) - является существенным, в основные, для пром. ХРОМАТОГРАФИЯ, к-рую используют для контроля и регулирования пром. многотоннажных процессов.
Аналит. ХРОМАТОГРАФИЯ применяют в научных исследованиях, химический и фармацевтич. промышлености, медицине, для контроля практически всех объектов окружающей среды, в газовой и нефтеперерабатывающей промышлености и т. д.
Препаративную ХРОМАТОГРАФИЯ используют для получения узких фракций смесей и чистых веществ в производстве химический реактивов, а также в фармацевтич., парфюмерной промышлености, при разделении изотопов, в биохимии и т. п. Разделяют смеси массой 1-1000 г, диаметр колонок 2-100 см.
X. применяют для определения физических-химический характеристик веществ: коэффициент распределения, энтальпии растворения, адсорбции, констант устойчивости комплексных соединений, коэффициент диффузии в газовой и жидкой фазах и т. д., а также как метод исследования кинетики гетерогенных и гомогенных реакций. См. также Хроматография с программированием температуры, Хромато-масс-спектрометрия.
X. открыл М. С. Цвет в 1905.

Литература: Беленький Б. Г., Виленчик Л. З., Хроматография полимеров, М., 1978; Киселев А. В., Яшин Я. И. .Адсорбционная газовая и жидкостная хроматография, М., 1979; Кирхнер Ю., Тонкослойная хроматографах, пер. с англ., т. 1-2, М., 1981; Березкин В. Г., Газо-жидко-твердофазная хроматография, М., 1986; Хроматография, под ред. Э. Хефгмана, пер. с англ., ч. 1-2, М., 1986; Даванков В. А., Навратил Дж., Уолтон ХРОМАТОГРАФИЯ, Лигандообменная хроматография, пер. с англ., М., 1989; Го льберт К. А., Вигдергауз М. С, Введение в газовую хроматографию, 3 изд., М., 1990; Количественный анализ хроматографическим методом, под ред. Э. Кэца, пер. с англ., М., 1990; Препаративная жидкостная хроматография, под ред. Б. Бидлиншейера, пер. с англ., М., 1990; Сверхкритическая флюидная хроматография, под ред. Р. Смита, пер. с англ., М., 1991; SnyderL., Kirkland J., Introduction to modem liquid chromatography, 2 ed., N. Y., 1979.

В. Г. Березкин.

Химическая энциклопедия. Том 5 >> К списку статей