О.Ф. Петрухина - Аналитическая химия (Физические и физико=химические методы анализа) (1110109), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Относительно небольшие размеры сенсоров позволяют создавать сенсорные наборы в небольшом объеме, например, на одном полупроводниковом кристалле можно разместить несколько чувствительных элементов. Такая возможность открывает новый подход к проблеме селективности аналитического определения, а именно, в случае интеллектуального программного обеспечения можно будет выделить аналитический сигнал определяемого соединения, используя набор неселективных сенсоров. Создание сенсорных систем с искусственным интеллектом имеет принципиальное значение для развития аналитической химии.
Во-первых, решение аналитической задачи — повышение селективности определения — достигается с помощью программных средств, за счет интеллектуализации технических средств. Во-вторых, ставится задача создания устройств, равных по своим возможностям органам человека. Уже сейчас имеются примеры разработки "электронного носа" и "электронного языка". Таким образом, развитие современной аналитической химии достигло уровня, когда стало возможным ставить и решать такие задачи, как оценка обобщенных показателей качества среды, продуктов питания и других объектов, жизненно важных для человека и его деятельности.
Аналитическая химия становится частью новой, зарождающейся дисциплины — квалимеарии. Особое место в современной аналитической химии занимают хроматографические методы анализа. Это одновременно методы разделения и определения. Выше неоднократно подчеркивалось, что цель аналитической химии — качественное и количественное определение состава вещества и что очень часто на пути достижения этой цели необходимо предварительно разделить близкие по свойствам вещества или повысить концентрацию определяемого соединения по сравнению с его концентрацией в анализируемом объекте. Методы разделения веществ, как аналитические, так и технологические, основаны на разных скоростях диффузии в одной фазе или на распределении между двумя разными фазами.
В методах, основанных на распределении вещества между двумя фазами, используются все возможные сочетания фаз: это дистилляция (фазы жидкость — пар), возгонка (твердое тело — газ), выщелачивание или избирательное растворение (твердое тело — жидкость) и жидкость — жидкостная экстракция (распределение между двумя жидкими фазами). К физическим методам разделения можно отнести также сиТовую или гель-хроматографию, основанную на распределении вещества между растворителем подвижной фазы и тем же самым растворителем, но находящимся в порах носителя.
Другие же ме- тоды, например экстракциониые методы разделения металлов, предполагают предварительную химическую реакцию экстрагируемого соединения с экстрагентом. Из методов разделения, основанных на различной скорости диффузии в гомогенных фазах, наибольшее применение в аналитической химии получил электрофорез — метод разделения, основанный на различии скоростей движения заряженных частиц под действием разности электрических потенциалов. Хроматографические методы разделения веществ основаны на многократном распределении хроматографируемого вещества между двумя фазами, одна из которых остается неподвижной. При этом распределение должно быть избирательным, то есть взаимодействие с одной из фаз должно быть специфичным, а с другой стороны, оно не должно быть ни слишком эффективным— в этом случае хроматографируемое соединение остается на старте, и ни слишком малым — тогда хроматографируемое соединение движется вместе с фронтом растворителя.
Кроме того, эффективность взаимодействия не должна слишком различаться для всех компонентов смеси, в противном случае необходимо градиентное элюирование, что несколько усложняет процесс хроматографирования. Так или иначе, но хроматографическая организация разделения оказалась чрезвычайно удобной для приборного воплощения. Хроматографический метод разделения представляет собой динамический процесс, и эффективность его определяется правильным выбором фаз и их состава и кинетикой процесса распределения, то есть гидродинамическими условиями проведения хроматографии.
В настоящее время в хроматографии реализованы все возможные сочетания фаз, а хроматографические методы разде' ления широко используются в химической технологии, научных исследованиях и в аналитической химии. Хроматография как метод анализа продолжает интенсивно развиваться. Главными узлами хроматографа являются хроматографическая колонка и детектор, и основные направления развития хроматографических методов анализа связаны с процессами разделения и поиском возможности использования в качестве детектируюших систем эффективных физических и физико-химических методов анализа. Для развития современной жидкостной хроматографии революционизирующее значение имела разработка неподвижных фаз, представляющих собой поверхностно привитые сорбенты сферической формы.
Наиболее распространены привитые сорбенты на поверхности силикагеля. Разработаны привитые сорбенты с различными функциональными группами, иногда довольно сложного строения. Надо сказать, что использование таких сорбентов в жидкостной хроматографии привело к значительному снижению ро- 19 ли, например, экстракционной или распределительной хроматографии с использованием экстрагентов на инертных носителях.
Предварительное концентрирование следовых количеств различного типа органических соединений, полиароматических соединений, пестицидов, соединений биохимического происхождения в сочетании с высокоэффективной жидкостной хроматографией становится стандартным методом органического анализа. Для экстракции и хроматографии малоустойчивых органических соединений природного происхождения большое значение имеет экстракция и хроматография с использованием сжиженных газов, сверхкритическая флюидная хроматография. Принципиальной особенностью аналитической химии является необходимость и возможность работать с малыми количествами и концентрациями.
Переход к малым объемам и концентрациям, который был реализован в аналитической хроматографии путем использования колонок значительно меньшего диаметра по сравнению с обычными колонками, дал довольно неожиданный положительный эффект. В настоящее время вполне самостоятельными методами анализа стали капиллярная газовая и микромасштабная высокоэффективная жидкостная хроматография. В капиллярной газовой хроматографии используются колонки диаметром 0,1 — 0,8 мм, диаметр обычной набивной колонки 4 — 6 мм.
В качестве неподвижной фазы в капиллярных колонках может использоваться или поверхность стенок колонки, обычно кварцевой, или нанесенная на поверхность жидкость, при этом толщина слоя неподвижной жидкой фазы всего составляет 0,1 — 1,0 мкм. В открытых капиллярных колонках по сравнению с насадочными колонками большего диаметра значительно меньше сопротивление потока газа-носителя и лучше массообмен между неподвижной фазой и газом-носителем.
Эффективность капиллярных колонок выше по сравнению с насадочными колонками обычного размера в 3 — 5 раз. Аналогично в микромасштабной высокоэффективной жидкостной хроматографии используются микро- и ультрамикроколонки с внутренним диаметром соответственно 0,45 и О,!5 мм.
В обоих случаях переход к микроколонкам привел к резкому увеличению разделительной способности хроматографии, Собственно измерение концентраций определяемого вещества в потоке газа или жидкости осуществляется хроматографическим детектором. На первом этапе своего развития в хроматографических методах анализа использовали сравнительно простые неспецифические детекторы, которые позволяли фиксировать изменение физических свойств потока газа или жидкости независимо от природы определяемого соединения. Широкое распространение получили газожидкостная хроматография с катарометром и пла- 20 менно-ионизационным детекторами и высокоэффективная жидкостная хроматография с фотометрическим детектором.
Такие детекторы можно поместить непосредственно в поток подвижной фазы. Однако эти детекторы не удовлетворяют требованиям ни к объему измерительной ячейки микроколоночных хроматографических методов, ни к требованиям специфичности. Встала проблема объединения методов хроматографии, в том числе микроколоночной, и чувствительных и избирательных методов анализа, то есть прежде всего разработки промежуточного звена для стыковки хроматографа и детектора.
В настоящее время эта проблема решена и стали доступными хромато-масс-спектрографы как газовые, так и жидкостные. Разработаны также хроматографические методы, сопряженные с индуктивно-связанной плазмой и инфракрасным спектрометром. Современная хроматография позволяет использовать практически все методы разделения газовых и жидких смесей с последующим использованием большинства физических и физико-химических методов анализа в качестве детектируюших систем.
Такие приборы требуют компьютерной поддержки, более того, иногда без компьютерной обработки результатов анализа в реальном режиме времени прибор не может эксплуатироваться. Например, в жидкостной хроматографии в настоящее время используют диодно-матричные детекторы, которые позволяют регистрировать спектр элюата во всем диапазоне спектра от ультрафиолетовой до инфракрасной области. В хромато-масс-спектрометрическом анализе сложных смесей объем информации, получаемой в единицу времени, настолько велик, что компьютерная обработка ее становится необходимой.
Хроматографические методы анализа используются прежде ' всего для анализа сложных объектов. Эта задача приобретает все большее практическое значение в связи с необходимостью аналитического контроля объектов окружающей среды. Определение обшей концентрации металлов и неметаллов не позволяет адекватно оценивать влияние этих элементов на окружающую среду. Эта задача может быть решена с помощью хроматографических методов, позволяющих осуществлять раздельное определение компонентов в сложных смесях. Определение состава металло- органических соединений также представляет интерес для анализа, например нефти, что требуется лля выбора метода переработки сырой нефти. Создание полностью или частично автоматизированных химических предприятий, тенденция к увеличению доли таких предприятий в общем объеме производства сформулировали новые требования к аналитической химии. Технологический процесс становится все более сложным и для повышения его эффективности необходим детальный контроль состава технологических потоков.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
