eng
Содержание
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 ..................................................... 736 Содержание
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 ................................................ 25212 Содержание
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 ....................................................... 381Содержание 15
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
Предисловие
Инструментальный анализ вследствие успехов в измерительной технике вообще
и, в частности, в микроэлектронике пережил в последние 10–20 лет бурное раз
витие и достиг высокого уровня эффективности. С этими разработками выросли
также требования к уровню знаний аналитика как пользователя аналитических
методов и технологий. Оптимальное, т.е. проблемно и практически ориентиро
ванное использование методов спектроскопии в анализах стало возможным только
тогда, когда пользователю известны методические основы, технические возмож
ности устройства, а также границы применения аналитических приборов или ана
литических систем.
Доктор Юрген Бёккер, как аналитик, работающий в промышленности, и че
ловек, многие годы преподающий в высшем учебном заведении, представил в сво
ей книге фундаментальный курс, который обсуждает наиболее важные и распро
страненные методы хроматографии, включая капиллярный электрофорез. Кни
га, в очень понятной и ориентированной на практику форме, дает представление
как о современном состоянии методов и технике анализов, о наиболее важных
теоретических основах, так и о деталях аналитических определений и приборно
технического оформления. Каждая глава ведет читателя от физических основ к
деталям практического анализа. В его критической оценке преимуществ и недо
статков, а также границ методов и приборных технологий эта книга помогает от
ветственному использованию высокоинструментализованных, снабженных ком
пьютерным программным обеспечением методов анализа для получения надеж
ных и правильных результатов.
С этой книгой аналитику больше не придется быть только слугой «черного
ящика», который часто чувствует себя регламентируемым программным обеспе
чением. Он поймет взаимные связи и, вместе с тем, поймет свой «аналитический
инструмент», т.н. «высокоэффективную» технику, и сможет ее оптимально исполь
зовать. Я желаю этой книге широкого распространения в надежде, что заложен
ные Ю. Бёккером основы и обширные детальные знания методик и техники бу
дут способствовать ответственному обращению с инструментальными методами
анализа нашего времени.
Профессор Георг Швед,
Технический унверситет, Клаусталь
Предисловие
Инструментальный анализ вследствие успехов в измерительной технике вообще
и, в частности, в микроэлектронике пережил в последние 10–20 лет бурное раз
витие и достиг высокого уровня эффективности. С этими разработками выросли
также требования к уровню знаний аналитика как пользователя аналитических
методов и технологий. Оптимальное, т.е. проблемно и практически ориентиро
ванное использование методов спектроскопии в анализах стало возможным только
тогда, когда пользователю известны методические основы, технические возмож
ности устройства, а также границы применения аналитических приборов или ана
литических систем.
Доктор Юрген Бёккер, как аналитик, работающий в промышленности, и че
ловек, многие годы преподающий в высшем учебном заведении, представил в сво
ей книге фундаментальный курс, который обсуждает наиболее важные и распро
страненные методы хроматографии, включая капиллярный электрофорез. Кни
га, в очень понятной и ориентированной на практику форме, дает представление
как о современном состоянии методов и технике анализов, о наиболее важных
теоретических основах, так и о деталях аналитических определений и приборно
технического оформления. Каждая глава ведет читателя от физических основ к
деталям практического анализа. В его критической оценке преимуществ и недо
статков, а также границ методов и приборных технологий эта книга помогает от
ветственному использованию высокоинструментализованных, снабженных ком
пьютерным программным обеспечением методов анализа для получения надеж
ных и правильных результатов.
С этой книгой аналитику больше не придется быть только слугой «черного
ящика», который часто чувствует себя регламентируемым программным обеспе
чением. Он поймет взаимные связи и, вместе с тем, поймет свой «аналитический
инструмент», т.н. «высокоэффективную» технику, и сможет ее оптимально исполь
зовать. Я желаю этой книге широкого распространения в надежде, что заложен
ные Ю. Бёккером основы и обширные детальные знания методик и техники бу
дут способствовать ответственному обращению с инструментальными методами
анализа нашего времени.
Профессор Георг Швед,
Технический унверситет, Клаусталь
Предисловие автора
Аналитическая химия с ее традиционным взглядом на качественный и количе
ственный состав веществ является той дисциплиной, которая столетия назад ос
новала химию и сделала ее наукой. С начала этого века синтетическая химия с ее
значительными разработками все больше отодвигала на задний план аналитичес
кую химию. Но благодаря революционному развитию и устойчиво растущим по
требностям биологии, медицины, материаловедения, технике и экологии анали
тическая химия пережила грандиозный подъем. При этом в прошлом остался кри
зис восприятия, темой которого является отказ от промышленности и, особенно,
от химической промышленности. Аналитическая химия быстро становится все
более значительным экономическим фактором, который, однако, недостаточно
популяризирован. Многие проблемы, например, борьбы против болезней, охра
ны окружающей среды и экономного обращения с сырьем и энергией могут ре
шаться только с помощью химии. Если раньше аналитика скорее обслуживала
другие научные области, то теперь она развилась в самостоятельную дисциплину
с растущими потребностями.
Гравиметрия и объемный анализ по природе являются классическими мето
дами классической химии. Бурное развитие электроники и приборных техноло
гий привело к тому, что все больше химических методов анализа заменялось бо
лее точными и более быстрыми физическими методами обнаружения и определе
ния. Сегодня химическая аналитика полностью ориентирована на инструменталь
ный анализ. Развитие инструментального анализа в сочетании с электронной
обработкой данных не только ускорило ряд прикладных аналитических процес
сов, но и привело к немыслимым ранее пределам обнаружения. Вместе с тем, вре
мя проведения анализов было значительно сокращено. Это, однако, не значит,
что дорогостоящие приборы гарантируют успех, но без подходящего инструмента
больше ничего не получится. Сегодня особенно штроко используются различные
спектроскопические методы, как, например, ядерный резонанс, ИК или масс
спектрометрия, чтобы дать ответ почти на все поставленные вопросы о структуре
молекул или качественном и количественном составе материи.
От искусства анализа зависит прогресс в химии и всех более или менее род
ственных ей дисциплин. С каждым днем нам становится более очевидно, как силь
но аналитика способствует технологическому прогрессу. С другой стороны, она
также необходима, чтобы узнавать об опасностях для окружающей среды и наше
го здоровья и отражать их. Так в целом и общем выглядят очертания применения
современной аналитики, которая ускоряет развитие в разных областях науки, про
мышленности и во всех областях человеческой деятельности в странах с высокой
цивилизацией.
Результаты проверки лабораторий являются основой для национальных и меж
дународных предписаний и влияют, в том числе, на экономику, здоровье и охрану
окружающей среды. Для принятия квалифицированных решений необходимым
условием являются надежные результаты измерений, так как ошибочные резуль
таты могут иметь значительные последствия. Поэтому лозунгами аналитики все
чаще становятся качество, управление качеством продукции и контроль качества
Предисловие автора 19
работы «good laboratory practice» (GLP). При этом требования к аналитике все
больше возрастают, однако затраты на проведение анализов не могут увеличи
ваться из за сильной конкуренции и возникающего вследствие этого ценового
давления. Поэтому, в общем, преследуется цель гарантировать наилучшее каче
ство анализа с минимальными издержками. Это является основанием для глубо
ких перемен, которые в настоящее время начались в лабораториях. Руководство и
сотрудники лаборатории должны все больше и больше рассматривать свою рабо
ту с позиций рационализации, продуктивности и производственной экономики.
Тенденция к автоматизации и рационализации не исчезает также в инструмен
тальной аналитике. Производители устройств предлагают для этого на рынке все
более чувствительные, значительно более быстрые, более точные и очень удоб
ные для пользователя приборы, которые отмечены высокой степенью автомати
зации от ввода проб до обработки данных.
Компьютеры с соответствующим программным обеспечением для управле
ния качеством продукции могут помогать в том, чтобы достичь этой цели. Тем
временем началась аккредитация лабораторий, условием которой является одно
значное управление качеством продукции. Мультимедиа также входит в технику
анализов и, вследствие этого, появляется возможность удаленного контроля и
обслуживания, которые позволяют осуществлять надзор и управление сложными
системами анализов. Всемирные высокоскоростные сети установят глобальный
обмен данными.
В то время как деятельность аналитика по существу ограничивалась раньше
контролем качества продуктов и установлением структуры новых веществ, сегод
ня аналитика интегрирована в процесс производства в целом для возможности
быстрого вмешательства и оптимизации. Ранее независимые отделы «производ
ства» и «аналитики» должны теперь сотрудничать более тесно, так как оптимиза
ция всех этапов особенно улучшает расчет добавленной стоимости. Тенденции к
повышению продуктивности в рутинной аналитике, такие как снижение затрат
на анализ, дальнейшая автоматизация, дружелюбие сервисного персонала, взве
шенные решения, более быстрые результаты, проверочные средства контроля и
постоянная переподготовка, являются только несколькими примерами. Комплек
сные процессы могут осуществляться автоматизацией очень просто и надежно.
При этом аналитик должен работать все с большим набором разных методов, ко
торые удовлетворяют требованиям «ноу хау». Тенденция методического и техни
ческого комбинирования аналитических технологий неуклонно возрастает. С ком
бинированными технологиями прикладная аналитика сделает значительный шаг
вперед. С тех пор как человек начал вести хозяйство промышленным способом,
он все больше нагружает окружающую среду выхлопными газами, сточными во
дами и отбросами. Непереработанные отходы накапливаются в земле, воде и воз
духе и раньше или позже попадают в пищевую цепь к человеку. Поиск таких вред
ных веществ является задачей анализа окружающей среды. Вопросы окружаю
щей среды усиленно рассматриваются с точки зрения цены без того, чтобы видеть
там шансы эволюции окружающей среды, экономики и общества. На рынке ана
литических услуг по охране окружающей среды в течение последних лет про
исходят большие изменения, информационные требования для предприятий по
20 Предисловие автора
стоянно возрастают. Удовлетворяющее экологическим требованиям качество про
дуктов стало фактором конкуренции на международной арене. Из за растущих
обязательств по охране окружающей среды в приборостроении есть тенденция
миниатюризации аналитических методов с целью уменьшения потребления.
Все еще очевидное расхождение существует между растущим значением хи
мического анализа и соответствующим учебным предложениям институтов. В Гер
мании аналитическая химия традиционно связана с неорганической химией. Ана
литическая химия – это типично прикладная наука. Разнообразие аналитических
постановок задач требует высокой доли междисциплинарных совместных работ,
которые часто выходят за рамки химии. Аналитическая химия требует собственных
специфических знаний, образа мыслей и стратегий. Они начинаются с правильно
го отбора пробы, свободного от загрязнений обращения и обработки, включают,
разумеется, оптимальное инструментальное измерение и заканчиваются оценкой
данных и их интерпретацией. Развитие аналитических методов происходит иначе,
чем в классических специальностях химии, не только в институтах, но и на прибо
ростроительных фирмах и, кроме того, в промышленных лабораториях.
Аналитические инструменты стали проще, удобнее и меньше. Автоматизиро
ванные и компьютеризированные инструменты должны сильно упрощать после
довательность анализов для пользователя и делать возможными, вместе с тем,
удобство обслуживания благодаря обученным сотрудникам. За недостатком опыт
ного и потому дорогостоящего персонала, а также необходимого времени методы
анализов больше не разрабатываются до готовых к применению процессов. Эко
номию рабочей силы путем ускорения и автоматизации методов сегодня часто
как экономическое преимущество ценят выше, чем правильность результатов. Тем
не менее, всегда должно оставаться ясным, что окончательная оценка метода и
результатов является обязанностью соответствующего пользователя, а компью
тер только помогает ему в работе. Для квалифицированных решений на основе
стоимости анализов необходимым условием являются надежные результаты из
мерений. Анализы с высокой надежностью и возможностью глобального сопос
тавления невозможны без высокообразованных аналитиков.
Эти размышления легли в основу данного учебника. Инструментальным ана
лизом не могут заниматься люди, обслуживающие приборы согласно указанию и
не знающие, что они делают. Книга была составлена практиком для прикладного
инструментального анализа. Автор в процессе обучения химии работал еще с
«классическими» устройствами без компьютеров, и позже в Институте производ
ственной техники и автоматизации им. Фраунгофера (IPA) в Штутгарте построил
лабораторию инструментального анализа, работавшую со всеми основными ме
тодами необходимыми для исследования и развития области технологии по
верхностей. После этого его аналитические знания пригодились при развитии и
запуске производства продуктов высоких технологий фирмы IBM.
С 1984 года он преподает инструментальный анализ в области технологии по
верхностей и материаловедения в Техническом институте Аалена. Первоначаль
но разрозненные тезисы были объединены в сборник лекций, которые за после
дние годы постоянно расширялись и дополнялись. Данная книга дает представ
ление о современном состоянии приборной базы и возможности ее применения.
Предисловие автора 21
Как аппаратура, так и положенные в ее основу технологии и способы примене
ния инструментальной аналитики являются исключительно успешными иннова
циями и требуют от всех пользователей заботиться о постоянном расширении и
обновлении ранее приобретенных знаний. Цель книги состоит в том, чтобы пере
дать читателю профессионально обоснованное видение в области инструменталь
ной аналитики от основ до новейших разработок. Квалифицированный персонал
аналитической лаборатории, студенты специальных высших учебных заведений
и обучающиеся химии могут получить обзор различных инструментальных мето
дов анализа и разнообразия поставленных аналитических задач.
Кроме того, обширные и часто сложные положения вещей преподносятся
начинающим в этом методе в понятной форме. Поэтому теория ограничена са
мыми необходимым для понимания отдельных методов основами, все общие под
ходы описываются практически с различными приложениями, преимуществами
и возможностями ошибки. Заинтересованный в аналитике ученый знакомится с
широкой палитрой различных методов инструментального анализа и получает
рекомендации по различной аппаратуре.
Подробные данные об источниках и многочисленные ссылки на литературу по
зволяют особенно заинтересованному читателю еще глубже проникать в материал.
Ю. Бёккер
Предисловие
Инструментальный анализ вследствие успехов в измерительной технике вообще
и, в частности, в микроэлектронике пережил в последние 10–20 лет бурное раз
витие и достиг высокого уровня эффективности. С этими разработками выросли
также требования к уровню знаний аналитика как пользователя аналитических
методов и технологий. Оптимальное, т.е. проблемно и практически ориентиро
ванное использование методов спектроскопии в анализах стало возможным только
тогда, когда пользователю известны методические основы, технические возмож
ности устройства, а также границы применения аналитических приборов или ана
литических систем.
Доктор Юрген Бёккер, как аналитик, работающий в промышленности, и че
ловек, многие годы преподающий в высшем учебном заведении, представил в сво
ей книге фундаментальный курс, который обсуждает наиболее важные и распро
страненные методы хроматографии, включая капиллярный электрофорез. Кни
га, в очень понятной и ориентированной на практику форме, дает представление
как о современном состоянии методов и технике анализов, о наиболее важных
теоретических основах, так и о деталях аналитических определений и приборно
технического оформления. Каждая глава ведет читателя от физических основ к
деталям практического анализа. В его критической оценке преимуществ и недо
статков, а также границ методов и приборных технологий эта книга помогает от
ветственному использованию высокоинструментализованных, снабженных ком
пьютерным программным обеспечением методов анализа для получения надеж
ных и правильных результатов.
С этой книгой аналитику больше не придется быть только слугой «черного
ящика», который часто чувствует себя регламентируемым программным обеспе
чением. Он поймет взаимные связи и, вместе с тем, поймет свой «аналитический
инструмент», т.н. «высокоэффективную» технику, и сможет ее оптимально исполь
зовать. Я желаю этой книге широкого распространения в надежде, что заложен
ные Ю. Бёккером основы и обширные детальные знания методик и техники бу
дут способствовать ответственному обращению с инструментальными методами
анализа нашего времени.
Профессор Георг Швед,
Технический унверситет, Клаусталь
Предисловие автора
Аналитическая химия с ее традиционным взглядом на качественный и количе
ственный состав веществ является той дисциплиной, которая столетия назад ос
новала химию и сделала ее наукой. С начала этого века синтетическая химия с ее
значительными разработками все больше отодвигала на задний план аналитичес
кую химию. Но благодаря революционному развитию и устойчиво растущим по
требностям биологии, медицины, материаловедения, технике и экологии анали
тическая химия пережила грандиозный подъем. При этом в прошлом остался кри
зис восприятия, темой которого является отказ от промышленности и, особенно,
от химической промышленности. Аналитическая химия быстро становится все
более значительным экономическим фактором, который, однако, недостаточно
популяризирован. Многие проблемы, например, борьбы против болезней, охра
ны окружающей среды и экономного обращения с сырьем и энергией могут ре
шаться только с помощью химии. Если раньше аналитика скорее обслуживала
другие научные области, то теперь она развилась в самостоятельную дисциплину
с растущими потребностями.
Гравиметрия и объемный анализ по природе являются классическими мето
дами классической химии. Бурное развитие электроники и приборных техноло
гий привело к тому, что все больше химических методов анализа заменялось бо
лее точными и более быстрыми физическими методами обнаружения и определе
ния. Сегодня химическая аналитика полностью ориентирована на инструменталь
ный анализ. Развитие инструментального анализа в сочетании с электронной
обработкой данных не только ускорило ряд прикладных аналитических процес
сов, но и привело к немыслимым ранее пределам обнаружения. Вместе с тем, вре
мя проведения анализов было значительно сокращено. Это, однако, не значит,
что дорогостоящие приборы гарантируют успех, но без подходящего инструмента
больше ничего не получится. Сегодня особенно штроко используются различные
спектроскопические методы, как, например, ядерный резонанс, ИК или масс
спектрометрия, чтобы дать ответ почти на все поставленные вопросы о структуре
молекул или качественном и количественном составе материи.
От искусства анализа зависит прогресс в химии и всех более или менее род
ственных ей дисциплин. С каждым днем нам становится более очевидно, как силь
но аналитика способствует технологическому прогрессу. С другой стороны, она
также необходима, чтобы узнавать об опасностях для окружающей среды и наше
го здоровья и отражать их. Так в целом и общем выглядят очертания применения
современной аналитики, которая ускоряет развитие в разных областях науки, про
мышленности и во всех областях человеческой деятельности в странах с высокой
цивилизацией.
Результаты проверки лабораторий являются основой для национальных и меж
дународных предписаний и влияют, в том числе, на экономику, здоровье и охрану
окружающей среды. Для принятия квалифицированных решений необходимым
условием являются надежные результаты измерений, так как ошибочные резуль
таты могут иметь значительные последствия. Поэтому лозунгами аналитики все
чаще становятся качество, управление качеством продукции и контроль качества
Предисловие автора 19
работы «good laboratory practice» (GLP). При этом требования к аналитике все
больше возрастают, однако затраты на проведение анализов не могут увеличи
ваться из за сильной конкуренции и возникающего вследствие этого ценового
давления. Поэтому, в общем, преследуется цель гарантировать наилучшее каче
ство анализа с минимальными издержками. Это является основанием для глубо
ких перемен, которые в настоящее время начались в лабораториях. Руководство и
сотрудники лаборатории должны все больше и больше рассматривать свою рабо
ту с позиций рационализации, продуктивности и производственной экономики.
Тенденция к автоматизации и рационализации не исчезает также в инструмен
тальной аналитике. Производители устройств предлагают для этого на рынке все
более чувствительные, значительно более быстрые, более точные и очень удоб
ные для пользователя приборы, которые отмечены высокой степенью автомати
зации от ввода проб до обработки данных.
Компьютеры с соответствующим программным обеспечением для управле
ния качеством продукции могут помогать в том, чтобы достичь этой цели. Тем
временем началась аккредитация лабораторий, условием которой является одно
значное управление качеством продукции. Мультимедиа также входит в технику
анализов и, вследствие этого, появляется возможность удаленного контроля и
обслуживания, которые позволяют осуществлять надзор и управление сложными
системами анализов. Всемирные высокоскоростные сети установят глобальный
обмен данными.
В то время как деятельность аналитика по существу ограничивалась раньше
контролем качества продуктов и установлением структуры новых веществ, сегод
ня аналитика интегрирована в процесс производства в целом для возможности
быстрого вмешательства и оптимизации. Ранее независимые отделы «производ
ства» и «аналитики» должны теперь сотрудничать более тесно, так как оптимиза
ция всех этапов особенно улучшает расчет добавленной стоимости. Тенденции к
повышению продуктивности в рутинной аналитике, такие как снижение затрат
на анализ, дальнейшая автоматизация, дружелюбие сервисного персонала, взве
шенные решения, более быстрые результаты, проверочные средства контроля и
постоянная переподготовка, являются только несколькими примерами. Комплек
сные процессы могут осуществляться автоматизацией очень просто и надежно.
При этом аналитик должен работать все с большим набором разных методов, ко
торые удовлетворяют требованиям «ноу хау». Тенденция методического и техни
ческого комбинирования аналитических технологий неуклонно возрастает. С ком
бинированными технологиями прикладная аналитика сделает значительный шаг
вперед. С тех пор как человек начал вести хозяйство промышленным способом,
он все больше нагружает окружающую среду выхлопными газами, сточными во
дами и отбросами. Непереработанные отходы накапливаются в земле, воде и воз
духе и раньше или позже попадают в пищевую цепь к человеку. Поиск таких вред
ных веществ является задачей анализа окружающей среды. Вопросы окружаю
щей среды усиленно рассматриваются с точки зрения цены без того, чтобы видеть
там шансы эволюции окружающей среды, экономики и общества. На рынке ана
литических услуг по охране окружающей среды в течение последних лет про
исходят большие изменения, информационные требования для предприятий по
20 Предисловие автора
стоянно возрастают. Удовлетворяющее экологическим требованиям качество про
дуктов стало фактором конкуренции на международной арене. Из за растущих
обязательств по охране окружающей среды в приборостроении есть тенденция
миниатюризации аналитических методов с целью уменьшения потребления.
Все еще очевидное расхождение существует между растущим значением хи
мического анализа и соответствующим учебным предложениям институтов. В Гер
мании аналитическая химия традиционно связана с неорганической химией. Ана
литическая химия – это типично прикладная наука. Разнообразие аналитических
постановок задач требует высокой доли междисциплинарных совместных работ,
которые часто выходят за рамки химии. Аналитическая химия требует собственных
специфических знаний, образа мыслей и стратегий. Они начинаются с правильно
го отбора пробы, свободного от загрязнений обращения и обработки, включают,
разумеется, оптимальное инструментальное измерение и заканчиваются оценкой
данных и их интерпретацией. Развитие аналитических методов происходит иначе,
чем в классических специальностях химии, не только в институтах, но и на прибо
ростроительных фирмах и, кроме того, в промышленных лабораториях.
Аналитические инструменты стали проще, удобнее и меньше. Автоматизиро
ванные и компьютеризированные инструменты должны сильно упрощать после
довательность анализов для пользователя и делать возможными, вместе с тем,
удобство обслуживания благодаря обученным сотрудникам. За недостатком опыт
ного и потому дорогостоящего персонала, а также необходимого времени методы
анализов больше не разрабатываются до готовых к применению процессов. Эко
номию рабочей силы путем ускорения и автоматизации методов сегодня часто
как экономическое преимущество ценят выше, чем правильность результатов. Тем
не менее, всегда должно оставаться ясным, что окончательная оценка метода и
результатов является обязанностью соответствующего пользователя, а компью
тер только помогает ему в работе. Для квалифицированных решений на основе
стоимости анализов необходимым условием являются надежные результаты из
мерений. Анализы с высокой надежностью и возможностью глобального сопос
тавления невозможны без высокообразованных аналитиков.
Эти размышления легли в основу данного учебника. Инструментальным ана
лизом не могут заниматься люди, обслуживающие приборы согласно указанию и
не знающие, что они делают. Книга была составлена практиком для прикладного
инструментального анализа. Автор в процессе обучения химии работал еще с
«классическими» устройствами без компьютеров, и позже в Институте производ
ственной техники и автоматизации им. Фраунгофера (IPA) в Штутгарте построил
лабораторию инструментального анализа, работавшую со всеми основными ме
тодами необходимыми для исследования и развития области технологии по
верхностей. После этого его аналитические знания пригодились при развитии и
запуске производства продуктов высоких технологий фирмы IBM.
С 1984 года он преподает инструментальный анализ в области технологии по
верхностей и материаловедения в Техническом институте Аалена. Первоначаль
но разрозненные тезисы были объединены в сборник лекций, которые за после
дние годы постоянно расширялись и дополнялись. Данная книга дает представ
ление о современном состоянии приборной базы и возможности ее применения.
Предисловие автора 21
Как аппаратура, так и положенные в ее основу технологии и способы примене
ния инструментальной аналитики являются исключительно успешными иннова
циями и требуют от всех пользователей заботиться о постоянном расширении и
обновлении ранее приобретенных знаний. Цель книги состоит в том, чтобы пере
дать читателю профессионально обоснованное видение в области инструменталь
ной аналитики от основ до новейших разработок. Квалифицированный персонал
аналитической лаборатории, студенты специальных высших учебных заведений
и обучающиеся химии могут получить обзор различных инструментальных мето
дов анализа и разнообразия поставленных аналитических задач.
Кроме того, обширные и часто сложные положения вещей преподносятся
начинающим в этом методе в понятной форме. Поэтому теория ограничена са
мыми необходимым для понимания отдельных методов основами, все общие под
ходы описываются практически с различными приложениями, преимуществами
и возможностями ошибки. Заинтересованный в аналитике ученый знакомится с
широкой палитрой различных методов инструментального анализа и получает
рекомендации по различной аппаратуре.
Подробные данные об источниках и многочисленные ссылки на литературу по
зволяют особенно заинтересованному читателю еще глубже проникать в материал.
Ю. Бёккер
ÃËÀÂÀ 1
ÂÂÅÄÅÍÈÅ
Аналитические приборы во всем мире являются важными вспомогательными сред
ствами исследования, развития и производства. Сегодня данные анализа могут
приводить к определенному беспокойству и даже волнениям в обществе, но во
многих случаях именно они позволяют принимать важные для общества реше
ния. Под термином «аналитика» в химии обычно понимают предмет, изучающий
состав вещества и методы его определения. Она представляет исходный пункт, с
которого начинаются все связанные с оборотом веществ законодательные акты,
служащие для обеспечения безопасности и повышения качества нашей жизни.
Аналитическая химия является, таким образом, прикладной наукой, которая се
годня больше, чем когда либо, имеет фундаментальное значение не только в хи
мии, биохимии и химии пищевых продуктов, но и в таких науках, как биология,
клиническая химия, геология, материаловедение, экология и контроль окружаю
щей среды и даже физика.
Междисциплинарное значение аналитической химии в нашем современном
индустриальном обществе сегодня вряд ли подлежит сомнению. Она необходима
как для развития современных технологий, таких как, например, микроэлектро
ника, сверхпроводимость, так и для обнаружения и минимизации возникающих
при этом неизбежных рисков для жизни и окружающей среды. Проникновение
аналитики во все более неожиданные области обусловлено кардинальными успе
хами этой науки, которые она достигла за прошедшие годы, и ведет к дальнейше
му распространению и применению высокоспециализированных приборов, ко
торые благодаря использованию микроэлектроники намного проще в употребле
нии, чем многие методы классической аналитической химии.
Бурное развитие аналитических методов и измерительных технологий, преж
де всего в прошедшие двадцать лет, значительно расширило поле деятельности
аналитики. Раньше ее деятельность ограничивалась в основном контролем каче
ства продукта и, в незначительной степени, установлением структуры новых ве
ществ. Сегодня, напротив, аналитика является частью процесса производства в
целом. К классическим областям контроля качества и структурного анализа до
бавились, в частности, защита окружающей среды, анализ безопасности, а также
научные исследования и опытно конструкторская деятельность. Токсикологичес
кие и аналитические исследования новых веществ и их метаболитов, контроль
технологических процессов, анализ следовых количеств веществ и измерение вред
ных эмиссий стали сегодня рутинными. С расширением области применения за
последние сто лет выросли также и затраты на проведение аналитических опреде
лений. В то время как оборот в расчете на одного сотрудника в химической про
мышленности за этот период утроился, стоимость анализа в расчете на одного
сотрудника выросла в десять раз. Так, например, на фирме «Байер» первый ана
литик в аналитический отдел был принят в 1893 году, а в конце 90 х годов двадца
Введение 23
того века расходы аналитического отдела фирмы составляли около 500 милли
онов марок в год, и в нем было занято около 2500 сотрудников [1.1].
Все приборные аналитические методы базируются на том или ином физико
химическом явлении, из которых два играют в аналитике наиболее важную роль:
это использование поглощения и испускания света в спектроскопии и разделе
ние веществ за счет распределения между двумя различными фазами в хроматог
рафии. Все другие методы представляют интерес или для решения только специ
фических задач, или исключительно для анализа чистых веществ. Разделение сме
сей путем распределения между двумя различными фазами, из которых одна яв
ляется неподвижной, а другая – движется (хроматография), имеет важнейшее
значение в инструментальном анализе.
Развитие метода хроматографического разделения и инструментального ана
лиза в сочетании с электронной обработкой данных привело, однако, не только к
расширению области применения аналитических методов. Пределы обнаруже
ния веществ также смещаются к величинам, которые даже трудно представить.
Чувствительность аналитических измерений органических соединений измени
лась за последние годы от микрограмма (10–6 г) до фемтограмма (10–15 г), а в ис
ключительных случаях даже до аттограмма (10–18 г).
Если, например, хотят определить в 1 мкг пробы какого либо элемент, при
сутствующий в концентрации 1 нг/г (1 ppb), то предел обнаружения должен быть
не ниже 10–15 г (фемтограмм = фг). Если рассмотреть под этим углом зрения пре
делы обнаружений обычных методов анализа, то эта цель достижима только в
немногих из них и то только с очень большой ошибкой.
От достоверности аналитического метода зависит оценка его экономической
эффективности. Если учесть, что на основании аналитических данных порой при
нимаются очень важные решения, то становится ясно, насколько дорогими могут
оказаться на первый взгляд дешевые методы анализа, которые приводят к ошибоч
ным результатам. Систематические ошибки, которые искажают результаты анали
зов в сторону слишком высокого или слишком низкого содержания вещества в пробе
(в противоположность к математически учитываемой статистической погрешнос
ти), являются центральной проблемой, например, анализа следовых количеств.
Развитие аналитических методов имеет огромное значение для научных ис
следований и науки. Все более низкие пределы обнаружения и новые «рекорды» в
анализе ультраследовых количеств веществ делают детектируемыми все больше
антропогенных веществ в окружающей среде, пищевых продуктах и на рабочем
месте. Источники вредных веществ могут быть, таким образом, выявлены и обез
врежены. С другой стороны, вследствие все возрастающей эффективности ана
литических определений возникает напряженность между химией и обществен
ностью: доказательство того, что какое то соединение появилось в окружающей
среде, общественность часто приравнивает, невзирая на концентрации, к реаль
но существующей угрозе человеку и окружающей среде. Это дает питательную
среду спорам о вреде химии, которые становятся все более жаркими и эмоцио
нальными. Они, однако, базируются в основном на абсолютных численных дан
ных, величины которых лежат в области нано и даже пикограммовых количеств
и которые трудно себе представить [1.2].
24 Глава 1. Введение
Так, к примеру, все 92 природных элемента издавна являются составной час
тью нашего мира, нашей пищи и наших тел, только теперь мы знаем также поря
док величины, в которой они присутствуют. Ужасное сообщение о том, что в щеб
не было найдено 1000 ppt кадмия, теряет свой пугающий характер для тех, кто
знает, что это составляет около миллиграмма на тонну и что земная кора содер
жит в среднем около 300 мг кадмия на тонну [1.3].
Токсикологическая значимость этих аналитических данных для человека и
окружающей среды часто упускается при этом из виду. То же самое имеет место и
для законодательно установленных норм, которые определяют предельные зна
чения концентраций вредных для здоровья и окружающей среды веществ. Еще
Парацельс нашел, что токсичность вещества в первую очередь зависит от дози
ровки и нет «нулевой нагрузки». Было бы желательно установить и согласовать на
международном уровне как токсикологически обоснованные, так и специфичес
кие для вещества предельно допустимые концентрации.
Аналитическая химия необходима, когда речь идет о развитии новой техноло
гии и, одновременно, минимизации всех возможных рисков. Предпосылкой яв
ляется, однако, не только достоверность аналитических данных, но и их правиль
ная интерпретация с учетом, прежде всего, воздействия антропогенных веществ
на человека и окружающую среду. Экстраполяции и общие заключения о вредно
сти некоторых веществ, которые являются справедливыми в области высоких и
средних концентраций, больше не работают при низких концентрациях. Некри
тическая корреляция действия некоторых веществ с их концентрацией, прежде
всего, благодаря дилетантам, но также из за дефицита общения, преднамерен
ных или случайных ошибочных оценок и умаление существующих опасностей
учеными нарушили в прошлом доверие общественности к химии.
Аналитическая химия – это источник инноваций и страха. Наиболее сложная
ее задача сегодня заключается в том, чтобы донести до общества новые знания из
области аналитики. Только так удастся преодолеть страхи и предубеждения. Ко
нечно, учитывая быстрый рост человечества, мы должны беречь наш окружающий
мир, нашу землю, полезные ископаемые, воду и воздух. Однако все, кто имеет дело
с данными по загрязнению окружающей среды, как аналитики, так и средства мас
совой информации, выступающие посредниками в работе по связи с общественно
стью, должны в высокой степени чувствовать свою ответственность [1.4]. Сред
ства массовой информации в полной мере информируют общество в своих док
ладах о проблематике анализа окружающей среды. Со времени трагедии в Зевезо в
1976 году особенно чувствительна реакция общественности на наличие диоксинов.
Так как все больше решений, принимаемых в политике и экономике, исполь
зует данные аналитической химии, широта приложения аналитики будет и даль
ше усиливаться. Необходимо, однако, понимать, что анализ следовых количеств
на практике сталкивается с ограничениями. Даже когда пределы обнаружении
аналитического метода вполне достаточны, нужно всегда учитывать целую цепочку
возможностей ошибиться, начиная с отбора, транспортировки и подготовки пробы
до конечного этапа определения [1.5].
В химическом производстве значение аналитики также растет. Причиной этого
является требование к повышению защиты окружающей среды и безопасности, а
Введение 25
также оптимизация потребления реагентов и энергии при одновременном повы
шении качества продукта. В прошлом химические предприятия сами разрабаты
вали аналитические методы для производства, так как готовых решений было мало,
пока производители аналитических приборов не обнаружили этот быстро расту
щий рынок. Наряду с разработкой больших приборов, которые иногда работают на
пределе своей экономической эффективности, все большее значение приобретают
небольшие портативные приборы для проведения анализа непосредственно на ме
сте отбора пробы. В этом случае учитывается не только точность прибора, но и, в
большей мере, скорость, с которой могут быть получены надежные данные.
Под инструментальным анализом понимают применение физических мето
дов в аналитической химии. Характерным для внедрения физических методов
является то, что в основном результат анализа первоначально получают в форме
электронного сигнала. Тем самым эти методы совместимы с последующей обра
боткой сигнала: измеренные величины можно быстро и автоматически регистри
ровать, обрабатывать и оценивать. Поскольку инструментальный метод основан
на физическом процессе, например, на взаимодействии аналитов и электромаг
нитного излучения (спектроскопия) или распределения между двумя фазами (хро
матография), процессы измерения и подача пробы, как правило, могут быть так
же автоматизированы.
Быстрое развитие получила автоматизация анализа. С 70 х годов методы об
работки данных открыли аналитике новый уровень качества анализа и до сих пор
недоступные методические подходы. Успехи, достигнутые за счет внедрения вы
числительной техники, можно подразделить на поддержку (англ.: Computer aided)
и оптимизацию традиционного анализа и на методы, которые стали возможны
только благодаря применению вычислительной техники (англ.: Computer based).
К последним принадлежит, например, ИК Фурье спектроскопия.
Компьютеризированный анализ достиг, между тем, такого уровня, что луч
шего можно и не желать. Компьютор не только регистрирует измеряемый сигнал,
он управляет ходом анализа, калибрует прибор (при необходимости) и с помо
щью меню проводит пользователя по программе. Сегодня пользователь ожидает
систему, которая обеспечит ему максимальный результат на всех этапах, начиная
с подготовки пробы – этой падчерицы анализа – до удобной обработки данных,
сохранения результатов и управления процессом в целом, включая оптимальный
выбор метода.
В последнее время внедрение компьютера в инструментальный анализ про
должилось с еще большей скоростью и последствиями и вызвало скрытую рево
люцию, которая проявляет себя во многих областях. Подавляющее большинство
приборов управляется одним или несколькими компьютерами, данные непосред
ственно принимаются системой обработки и результаты достаточно часто выда
ются не в виде спектра или хроматограммы, но в виде прямого ответа на постав
ленный вопрос (что? и сколько?). Это ведет, естественно, к известной отчужден
ности оператора по отношению к важным процессам внутри прибора, так что
внутренний контроль также должен осуществляться компьютером.
Следовало бы действительно однажды задуматься, какие белые пятна были
бы сегодня на нашей научной картине мира, если бы не изобрели хроматогра
26 Глава 1. Введение
фию. Особенно наше знание окружающего мира, биологических процессов и
скрытых в них органических соединений было бы для низкомолекулярных со
единений настолько же неполным, как это в настоящее время еще имеет место
для высокомолекулярных соединений.
Более ста лет известно, что выделение индивидуальных компонентов из слож
ных смесей является практически единственной возможностью их определения.
И только в элементном анализе, благодаря спектроскопическим методам, удает
ся относительно часто это правило нарушить. Все же молекулярная спектроско
пия, самостоятельно или совместно с химическими методами разделения, еще
должна быть доведена до совершенства, если ее рассматривать как замену хрома
тографическим методам, что сегодня кажется только утопией.
Что является уникальным и особенным в этом методе? Да то, что впервые для
метода разделения решающую роль играет время: как при перемещении пробы,
при постоянно обновляемом состоянии квазиравновесия, так и в типе обуслов
ленных диффузией ограничений всех этих процессов. Интересно, что в природе
этому трудно найти аналог. Вряд ли другой метод разделения обладает таким ши
роким динамическим диапазоном и сравнительно большой гибкостью, особенно
если учесть многочисленные разнообразные возможности детектирования.
Хотя хроматография почти с самого начала является предметом строгой науч
ной интерпретации, она была и остается инструментом, применение которого
почти никак не связано с умением или профессиональным образованием. Стоит
добавить: в простейшем случае! Экономическую выгоду, полученную с помощью
приборов стоимостью 50 000 евро, можно получить в определенных условиях также
и с простыми тонкослойными пластинками. Поэтому не стоит удивляться, что хро
матогафия за 30 лет завоевала мир аналитики и, соответственно, была коммерци
ализована.
Еще совсем недавно аналитики накатывали пластинки для тонкослойной хро
матографии, набивали колонки, вытягивали и заполняли капилляры и вычисля
ли площади пиков с помощью планиметра. Сегодня аналитики покупают изго
товленные в промышленности готовые системы, уже укомплектованные всеми
необходимыми принадлежностями. Обладатель современных приборов не осво
бождается, однако, от тяжелой подготовительной работы и прочего подобного
вмешательства в чисто «инструментальный» процесс. Плохо, если слепое дове
рие к «черному ящику» ведет к полному отказу от знания разделяющих свойств
стационарных фаз и межмолекулярных взаимодействий.
В дальнейшем, конечно, будет также полезно, снова и снова обращаться к
области наименьших количеств образцов и наиболее низких концентраций. Здесь
хроматография, между прочим, достигла того, что термин «микроанализ», озна
чавший во времена высочайший уровень экспериментального мастерства при
обращении с миллиграммовыми количествами пробы, вышел из употребления,
или, если сформулировать положительный аспект, стал практически равнознач
ным понятию «современные аналитические методы». Методы, которые сегодня
работают с граммовыми количествами, то есть с относительно большими масса
ми пробы, представляют скорее исключение. Это же справедливо и для спектро
скопии, но в особенности – для хроматографии.
1.1. Знание – сила 27
Здесь нужно отметить еще один момент, который для технического развития
хроматографии имеет большее значение, чем для других аналитических методов:
усовершенствование управляющих приборов, колонок, особенно технологии ка
пиллярных колонок, и, не в последнюю очередь, улучшение известных и откры
тие новых принципов детектирования, прежде всего, для жидкостной хромато
графии.
Спрос на аналитические приборы растет во всем мире. В 1990 году оборот от
расли аналитического приборостроения составил 5,1 миллиарда долларов, 40%
которых пришлось на США, около 30% – на Западную Европу, 20% – на Японию.
Доли рынка распределились следующим образом: 50% – спектроскопия (причем
лидером является масс спектроскопия с оборотом 400 миллионов долларов), за
тем – хроматография с лидером роста ВЭЖХ1, приборы для контроля процессов
на месте отбора пробы и СКФХ2 [1.6].
Мировой оборот для приборов, которые позволяют разделять химические со
единения, составляет почти два миллиарда долларов с неуклонным ростом 10% в
год. Приборы, используемые для проведения разделений, составляют около 40%
мирового оборота всех аналитических приборов. При этом жидкостная хрома
тография занимает почти две трети всех приборов, используемых для проведения
разделения. Эти данные отражают также значение методов разделения в совре
менном промышленном инструментальном анализе. До трех четвертей аналити
ческой работы в промышленных аналитических лабораториях приходится на ра
боту с методами разделения.
1.1. Знание – сила
Решение аналитических проблем с помощью хроматографии, обработка данных
и проверка статистической значимости требуют обширных специальных знаний.
Потребность в передаче основных методических и технических знаний, также как
и в повышении квалификации, очень велика. Такие аналитические методы, как
газовая хроматография (ГХ) или жидкостная хроматография (ЖХ), вследствие
быстрого развития их инструментальной базы предъявляют высокие требования
к их целенаправленному применению. Кроме того, внедрение результатов науч
ного прогресса в повседневную практику иногда не лишено проблем.
Центральной проблемой, которая встречается не только в хроматографии,
является вопрос, как представить и объяснить очередное «ноухау» новичку, не
профессионалу или сотруднику, который переквалифицируется. Поэтому профес
сиональное образование и повышение квалификации приобретают важное зна
чение.
К счастью, здесь есть широкий выбор обучающих курсов. Прежде всего сле
дует назвать курсы повышения квалификации при Объединении химиков Герма
нии (GDCh) и других организациях. Из 19 групп GDCh самой большой является
группа аналитической химии, которая насчитывает почти 3000 членов. Она со
1 ВЭЖХ – высокоэффективная жидкостная хроматография.
2 СКФХ – сверхкритическая флюидная хроматография.
28 Глава 1. Введение
стоит из девяти рабочих подгрупп, что отражает разнообразие методов и вопро
сов аналитической химии. Наряду с информационным общением внутри профес
сионального сообщества центральной задачей этой группы является выделение
аналитической химии как обособленной дисциплины, не привязанной к неорга
нической химии, что сложилось исторически, но больше не соответствует дей
ствительности [1.7].
Фирмы производители предлагают вводные курсы по работе с их приборами.
На профессионально ориентированных выставках, таких как INCOM, ANALYTIKA
и ACHEMA в Германии и конференции и выставке в Питсбурге в США есть ин
формация для профессионалов. Наконец, проводятся национальные и междуна
родные симпозиумы в специальных областях. Здесь можно найти обзор состояния
исследований и техники в каждой области и обсудить профессиональные пробле
мы с коллегами.
Стремление к защите окружающей среды изменяет рынки и вводит новые тех
нологии производства. Структура традиционных рынков и методов конкуренции
меняется, устраняя токсичные производства. Таким образом, появляются даже
новые виды деятельности: в 2000 году в Германии, по мнению экспертов, появи
лось около 1,1 миллиона рабочих мест для экологов. И все таки, в деле защиты
окружающей среды предпринимателям часто предъявляют чрезмерные требова
ния и заставляют их цепляться за вчерашний уровень техники. Это означает, что
они ожидают законодательных решений.
Сегодняшние приоритеты, такие как качество и надежность, не препятству
ют, как известно, тому, что продолжают выбрасывать горы мусора и металлолома.
Возникающая отсюда угроза биосфере должна быть уменьшена насколько это
возможно, для чего аналитика может внести определенный вклад. Так как у про
изводителя, как правило, имеется полная информация о составе исходных и ко
нечных продуктов, то развитие методов анализа отходов может дополнительно
внести существенный вклад в дело защиты нашей биосферы от вредных веществ.
На основе измененных рамочных условий будущие процессы производства опти
мизируют не только для получения продукции, но и для внедрения малоотходных
технологий, минимизирующих образование отходов и стимулирующих развитие
их вторичного использования.
Наука о составление экобаланса еще очень молода. Она рассматривает воз
действие продуктов и услуг на окружающую среду в течение всего срока их жизни
с учетом критериев потребления ресурсов, выбросов и отходов. Это требует хоро
шо структурированного, объективного и удобного образа действий [1.9]. Кто из
бегает работы с экологически вредными веществами сегодня, позже сэкономит
на экологической безопасности. Первоочередной задачей любого города и всех
его жителей является забота об окружающем их жизненном пространстве. Зако
нодательные органы и аналитические службы страны заботятся о том, чтобы убе
речь наш мир от дальнейшего загрязнения [1.10].
ÃËÀÂÀ 2
ÒÅÕÍÈÊÀ ÕÐÎÌÀÒÎÃÐÀÔÈÈ
Хроматография является физико химическим методом, который может быть ис
пользован для разделения веществ. Он может использоваться как в аналитичес
ких, так и в препаративных целях, но в основном он служит для идентификации и
количественного определения органических и неорганических соединений.
В аналитике этот метод часто используют, чтобы выделить и идентифицировать
отдельные компоненты. Хроматографию считают сегодня наиболее употребимым
и мощным методом, который наилучшим образом подходит для процессов разде
ления.
2.1. История хроматографии
История хроматографии началась, собственно говоря, еще при Аристотеле, кото
рый использовал глинозем для очистки морской воды. Принципы очистки были ему,
конечно, не известны. Днем рождения хроматографии считается 21 марта 1903 года.
В этот день русский ботаник Михаил Семенович Цвет доложил на биологической
секции Варшавского сообщества естественных наук «о новой категории адсорб
ционных явлений и о применении их к биохимическому анализу». Три года спус
тя последовали два уточняющих открытия о «физико химическом изучении ад
сорбции хлорофиллов» и «Адсорбционный анализ и метод хроматографии, при
менение к химии хлорофиллов». Наряду со многими другими попытками разде
ления уже известных красителей Цвет наполнял стеклянную трубку инулином
(углевод) и нанес на колонку экстракт хлорофиллов в лигроине. Цвет (1872–1919)
писал так:
«Из нижнего конца воронки вытекает сначала бесцветная, потом желтая жид
кость (каротин), в то время как в поверхностных слоях инулинового столба воз
никает интенсивное зеленое кольцо, на нижнем крае которого быстро образуется
желтая кайма. При последующем пропускании через инулиновый столб чистого
лигроина оба кольца, зеленое и желтое, значительно расширяются и распростра
няются вниз до известного предела. Как цветные лучи солнечного спектра раз
личные компоненты из смеси пигментов были выделены и могли анализировать
ся дальше количественно и качественно».
Свой метод Цвет назвал
Хроматография = Запись цвета
и результат, а именно различные цветовые зоны – «хроматограммой». Цвет разде
лил с помощью своего метода хлорофилл А (зеленый) и хлорофилл Б (желтый) [2.1].
Работы Цвета не получили должного внимания среди профессионалов, и их
предали забвению. Хроматография находилась в забытьи до начала 30 х годов,
30 Глава 2. Техника хроматографии
когда к ней вернулась группа Ричарда Куна (1900–1967) в Институте фундамен
тальной медицины кайзера Вильгельма в Гейдельберге. Речь шла о проблеме раз
деления смеси окрашенных соединений из ряда каротиноидов или ксантофил
лов. К рабочей группе принадлежали швейцарский химик Альфред Винтерштайн
(1889–1960) и австрийский химик Эдгар Ледерер (1908–1988). Кун был учеником
Ричарада Вильштеттера (1872–1942) из Мюнхена, который, как и Цвет, исследо
вал химию хлорофиллов. За свои исследования, главным образом, хлорофиллов,
Вильштеттер получил в 1915 году Нобелевскую премию по химии. Вильштеттер
был одержим диссертацией Цвета по хлорофиллам (и хроматогрфии), переведен
ной на немецкий язык и изданной в виде книги, и читал ее Куну и его сотрудни
кам. Ледереру, используя методы хроматографии, описанные в книге, удалось
выделить четыре изомера каротиноидов из экстрактов яичного желтка. В 1938 году
Кун получил Нобелевскую премию по химии за предложенную Цветом адсорб
ционную хроматографию каратиноидов и витаминов.
В 1933 году Винтерштайн из группы Куна посетил «лабораторию пищевой хи
мии Данна» в университете Кембриджа и продемонстрировал хроматографичес
кое разделение каротиноидов. Ассистировал ему двадцатитрехлетний инженер
химик Арчер Портер Мартин, который был направлен в эту лабораторию, зани
мавшуюся проблемами питания, чтобы обнаружить витамин Е (токоферол). Почти
год спустя Мартин приступил к собственным исследованиям по хроматографии.
Он увидел некоторую аналогию:
«Я был околдован сходством хроматографии и дистилляционной колонны.
Механизмы разделения каротиноидов и разделение летучих веществ дистилля
цией были похожи. Две фазы двигались друг относительно друга, и взаимодей
ствия между ними определяли обмен веществ и их разделение». [2.2]
Ричард Лоуренс Миллингтон Синдж получил стипендию на определение
аминокислотной последовательности шерстяного волокна от Международного
фонда шерстяной промышленности, деньги которому были предоставлены Ав
стралией, Новой Зеландией и Южной Африкой. Ему в 1938 году в качестве парт
нера для решения проблем разделения был рекомендован доктор Мартин, кото
рого из за его окладистой бороды назвали «лабораторный Иисус». Мартин по
мог ему сконструировать противоточный экстрактор с использованием воды и
хлороформа. Целью работы было разделить смесь олигопептидов, которые об
разуются при разрушении протеинов волокна, на составные части, которые мож
но идентифицировать с тем, чтобы по ним установить исходную последователь
ность протеинов.
В 1940 году Мартин вернулся в Лидс в научную лабораторию британской шер
стяной промышленности, и Синдж, после короткого размышления, последовал
за ним, прихватив новую аппаратуру. Позже Синдж писал:
«Пока наша противоточная распределяющая машина работала, мы делили
динитрофенилгидразоны альдегидов хроматографически на оксиде магния. Не
удовлетворенные работой с хлороформно водным экстрактором, мы подумали о
том, нельзя ли его изменить таким образом, чтобы иметь только одну движущую
ся фазу и чтобы при этом проба вводилась в точке подачи подвижной фазы, как
при хроматографии».
2.1. История хроматографии 31
Идею быстро осуществили: кизельгель, насыщенный водой, представлял со
бой неподвижную фазу, в то время как хлороформ с небольшой добавкой этанола
протекал через колонку в качестве подвижной фазы. Комплексы с метилоранжем
в качестве индикатора позволяли наблюдать перемещение аминокислот по стек
лянной колонке.
В июне 1941 года Мартин и Синдж доложили результаты своей жидкость жид
костной распределительной хроматографии Биохимическому сообществу в Лон
доне, а 19 ноября 1941 года они отправили в «Biochemical journal» статью: «Новая
форма использования двух жидких фаз для хроматографии» [2.3], за которую в
1952 году получили Нобелевскую премию. В работе была также детально пред
ставлена теория процесса, которая, по мнению инженера химика Мартина, на
ходится в тесном родстве с процессом дистилляции. Так была постулирована «Вы
сота, эквивалентная теоретической тарелке» (ВЭТТ), отрезок между двумя вооб
ражаемыми площадками, на котором устанавливается распределительное равно
весие одного вещества между двумя фазами. ВЭТТ определяет эффективность
разделения, и для хроматографии эта величина оказывается равной 20 мкм, что
на порядки лучше, чем величина ВЭТТ в 10 мм, находимая для дистилляции.
При присуждении Нобелевских премий в 1952 году жюри, кажется, должно было
договориться, поскольку как в физике, так и в химии речь шла об аналитических
методах. Блох и Пурселл были отмечены за разработку спектроскопии ядерного
магнитного резонанса (ЯМР), а Мартин и Синдж – за открытие распределитель
ной хроматографии. Оба метода относятся сегодня к наиболее важным методам для
разделения смесей химических веществ и, соответственно, для идентификации и
структурного анализа вещества (ЯМР). В случае хроматографии научные работы ве
лись уже добрых 10 лет, когда в 1941 году Мартин и Синдж доложили впервые о своем
эксперименте по распределительной хроматографии с двумя жидкими фазами.
Исторический экскурс показывает, что Мартин и Синдж только немного опе
редили конкурентов из Норвегии и Голландии, возможно, потому, что они един
ственные непременно хотели решить вполне определенную проблему. Из голлан
дской группы в Клинкенберге из лаборатории нефти фирмы Шелл позже был вне
сен еще один существенный вклад в теорию хроматографии: уравнение Ван Де
емтера [2.4].
Основатель хроматографии Цвет в своих теоретических объяснениях представ
лял процесс разделения в колонке как цепочку селективных актов адсорбции. Тем
не менее, в этом он превзошел предшественника, американского исследователя
нефти Дэвида Т. Дэя (1989–1925), который, разделив на фракции сырую нефть на
колонке с фуллеровой землей, понимал процесс разделения как капиллярную
диффузию. В природе образование нефтей различного состава, вероятно, отчас
ти, также обусловлено хроматографическими процессами, когда нефть переме
щается через образования горной породы.
Инструментальный анализ вследствие успехов в измерительной технике вообще
и, в частности, в микроэлектронике пережил в последние 10–20 лет бурное раз
витие и достиг высокого уровня эффективности. С этими разработками выросли
также требования к уровню знаний аналитика как пользователя аналитических
методов и технологий. Оптимальное, т.е. проблемно и практически ориентиро
ванное использование методов спектроскопии в анализах стало возможным только
тогда, когда пользователю известны методические основы, технические возмож
ности устройства, а также границы применения аналитических приборов или ана
литических систем.
Доктор Юрген Бёккер, как аналитик, работающий в промышленности, и че
ловек, многие годы преподающий в высшем учебном заведении, представил в сво
ей книге фундаментальный курс, который обсуждает наиболее важные и распро
страненные методы хроматографии, включая капиллярный электрофорез. Кни
га, в очень понятной и ориентированной на практику форме, дает представление
как о современном состоянии методов и технике анализов, о наиболее важных
теоретических основах, так и о деталях аналитических определений и приборно
технического оформления. Каждая глава ведет читателя от физических основ к
деталям практического анализа. В его критической оценке преимуществ и недо
статков, а также границ методов и приборных технологий эта книга помогает от
ветственному использованию высокоинструментализованных, снабженных ком
пьютерным программным обеспечением методов анализа для получения надеж
ных и правильных результатов.
С этой книгой аналитику больше не придется быть только слугой «черного
ящика», который часто чувствует себя регламентируемым программным обеспе
чением. Он поймет взаимные связи и, вместе с тем, поймет свой «аналитический
инструмент», т.н. «высокоэффективную» технику, и сможет ее оптимально исполь
зовать. Я желаю этой книге широкого распространения в надежде, что заложен
ные Ю. Бёккером основы и обширные детальные знания методик и техники бу
дут способствовать ответственному обращению с инструментальными методами
анализа нашего времени.
Профессор Георг Швед,
Технический унверситет, Клаусталь
Предисловие
Инструментальный анализ вследствие успехов в измерительной технике вообще
и, в частности, в микроэлектронике пережил в последние 10–20 лет бурное раз
витие и достиг высокого уровня эффективности. С этими разработками выросли
также требования к уровню знаний аналитика как пользователя аналитических
методов и технологий. Оптимальное, т.е. проблемно и практически ориентиро
ванное использование методов спектроскопии в анализах стало возможным только
тогда, когда пользователю известны методические основы, технические возмож
ности устройства, а также границы применения аналитических приборов или ана
литических систем.
Доктор Юрген Бёккер, как аналитик, работающий в промышленности, и че
ловек, многие годы преподающий в высшем учебном заведении, представил в сво
ей книге фундаментальный курс, который обсуждает наиболее важные и распро
страненные методы хроматографии, включая капиллярный электрофорез. Кни
га, в очень понятной и ориентированной на практику форме, дает представление
как о современном состоянии методов и технике анализов, о наиболее важных
теоретических основах, так и о деталях аналитических определений и приборно
технического оформления. Каждая глава ведет читателя от физических основ к
деталям практического анализа. В его критической оценке преимуществ и недо
статков, а также границ методов и приборных технологий эта книга помогает от
ветственному использованию высокоинструментализованных, снабженных ком
пьютерным программным обеспечением методов анализа для получения надеж
ных и правильных результатов.
С этой книгой аналитику больше не придется быть только слугой «черного
ящика», который часто чувствует себя регламентируемым программным обеспе
чением. Он поймет взаимные связи и, вместе с тем, поймет свой «аналитический
инструмент», т.н. «высокоэффективную» технику, и сможет ее оптимально исполь
зовать. Я желаю этой книге широкого распространения в надежде, что заложен
ные Ю. Бёккером основы и обширные детальные знания методик и техники бу
дут способствовать ответственному обращению с инструментальными методами
анализа нашего времени.
Профессор Георг Швед,
Технический унверситет, Клаусталь
Предисловие автора
Аналитическая химия с ее традиционным взглядом на качественный и количе
ственный состав веществ является той дисциплиной, которая столетия назад ос
новала химию и сделала ее наукой. С начала этого века синтетическая химия с ее
значительными разработками все больше отодвигала на задний план аналитичес
кую химию. Но благодаря революционному развитию и устойчиво растущим по
требностям биологии, медицины, материаловедения, технике и экологии анали
тическая химия пережила грандиозный подъем. При этом в прошлом остался кри
зис восприятия, темой которого является отказ от промышленности и, особенно,
от химической промышленности. Аналитическая химия быстро становится все
более значительным экономическим фактором, который, однако, недостаточно
популяризирован. Многие проблемы, например, борьбы против болезней, охра
ны окружающей среды и экономного обращения с сырьем и энергией могут ре
шаться только с помощью химии. Если раньше аналитика скорее обслуживала
другие научные области, то теперь она развилась в самостоятельную дисциплину
с растущими потребностями.
Гравиметрия и объемный анализ по природе являются классическими мето
дами классической химии. Бурное развитие электроники и приборных техноло
гий привело к тому, что все больше химических методов анализа заменялось бо
лее точными и более быстрыми физическими методами обнаружения и определе
ния. Сегодня химическая аналитика полностью ориентирована на инструменталь
ный анализ. Развитие инструментального анализа в сочетании с электронной
обработкой данных не только ускорило ряд прикладных аналитических процес
сов, но и привело к немыслимым ранее пределам обнаружения. Вместе с тем, вре
мя проведения анализов было значительно сокращено. Это, однако, не значит,
что дорогостоящие приборы гарантируют успех, но без подходящего инструмента
больше ничего не получится. Сегодня особенно штроко используются различные
спектроскопические методы, как, например, ядерный резонанс, ИК или масс
спектрометрия, чтобы дать ответ почти на все поставленные вопросы о структуре
молекул или качественном и количественном составе материи.
От искусства анализа зависит прогресс в химии и всех более или менее род
ственных ей дисциплин. С каждым днем нам становится более очевидно, как силь
но аналитика способствует технологическому прогрессу. С другой стороны, она
также необходима, чтобы узнавать об опасностях для окружающей среды и наше
го здоровья и отражать их. Так в целом и общем выглядят очертания применения
современной аналитики, которая ускоряет развитие в разных областях науки, про
мышленности и во всех областях человеческой деятельности в странах с высокой
цивилизацией.
Результаты проверки лабораторий являются основой для национальных и меж
дународных предписаний и влияют, в том числе, на экономику, здоровье и охрану
окружающей среды. Для принятия квалифицированных решений необходимым
условием являются надежные результаты измерений, так как ошибочные резуль
таты могут иметь значительные последствия. Поэтому лозунгами аналитики все
чаще становятся качество, управление качеством продукции и контроль качества
Предисловие автора 19
работы «good laboratory practice» (GLP). При этом требования к аналитике все
больше возрастают, однако затраты на проведение анализов не могут увеличи
ваться из за сильной конкуренции и возникающего вследствие этого ценового
давления. Поэтому, в общем, преследуется цель гарантировать наилучшее каче
ство анализа с минимальными издержками. Это является основанием для глубо
ких перемен, которые в настоящее время начались в лабораториях. Руководство и
сотрудники лаборатории должны все больше и больше рассматривать свою рабо
ту с позиций рационализации, продуктивности и производственной экономики.
Тенденция к автоматизации и рационализации не исчезает также в инструмен
тальной аналитике. Производители устройств предлагают для этого на рынке все
более чувствительные, значительно более быстрые, более точные и очень удоб
ные для пользователя приборы, которые отмечены высокой степенью автомати
зации от ввода проб до обработки данных.
Компьютеры с соответствующим программным обеспечением для управле
ния качеством продукции могут помогать в том, чтобы достичь этой цели. Тем
временем началась аккредитация лабораторий, условием которой является одно
значное управление качеством продукции. Мультимедиа также входит в технику
анализов и, вследствие этого, появляется возможность удаленного контроля и
обслуживания, которые позволяют осуществлять надзор и управление сложными
системами анализов. Всемирные высокоскоростные сети установят глобальный
обмен данными.
В то время как деятельность аналитика по существу ограничивалась раньше
контролем качества продуктов и установлением структуры новых веществ, сегод
ня аналитика интегрирована в процесс производства в целом для возможности
быстрого вмешательства и оптимизации. Ранее независимые отделы «производ
ства» и «аналитики» должны теперь сотрудничать более тесно, так как оптимиза
ция всех этапов особенно улучшает расчет добавленной стоимости. Тенденции к
повышению продуктивности в рутинной аналитике, такие как снижение затрат
на анализ, дальнейшая автоматизация, дружелюбие сервисного персонала, взве
шенные решения, более быстрые результаты, проверочные средства контроля и
постоянная переподготовка, являются только несколькими примерами. Комплек
сные процессы могут осуществляться автоматизацией очень просто и надежно.
При этом аналитик должен работать все с большим набором разных методов, ко
торые удовлетворяют требованиям «ноу хау». Тенденция методического и техни
ческого комбинирования аналитических технологий неуклонно возрастает. С ком
бинированными технологиями прикладная аналитика сделает значительный шаг
вперед. С тех пор как человек начал вести хозяйство промышленным способом,
он все больше нагружает окружающую среду выхлопными газами, сточными во
дами и отбросами. Непереработанные отходы накапливаются в земле, воде и воз
духе и раньше или позже попадают в пищевую цепь к человеку. Поиск таких вред
ных веществ является задачей анализа окружающей среды. Вопросы окружаю
щей среды усиленно рассматриваются с точки зрения цены без того, чтобы видеть
там шансы эволюции окружающей среды, экономики и общества. На рынке ана
литических услуг по охране окружающей среды в течение последних лет про
исходят большие изменения, информационные требования для предприятий по
20 Предисловие автора
стоянно возрастают. Удовлетворяющее экологическим требованиям качество про
дуктов стало фактором конкуренции на международной арене. Из за растущих
обязательств по охране окружающей среды в приборостроении есть тенденция
миниатюризации аналитических методов с целью уменьшения потребления.
Все еще очевидное расхождение существует между растущим значением хи
мического анализа и соответствующим учебным предложениям институтов. В Гер
мании аналитическая химия традиционно связана с неорганической химией. Ана
литическая химия – это типично прикладная наука. Разнообразие аналитических
постановок задач требует высокой доли междисциплинарных совместных работ,
которые часто выходят за рамки химии. Аналитическая химия требует собственных
специфических знаний, образа мыслей и стратегий. Они начинаются с правильно
го отбора пробы, свободного от загрязнений обращения и обработки, включают,
разумеется, оптимальное инструментальное измерение и заканчиваются оценкой
данных и их интерпретацией. Развитие аналитических методов происходит иначе,
чем в классических специальностях химии, не только в институтах, но и на прибо
ростроительных фирмах и, кроме того, в промышленных лабораториях.
Аналитические инструменты стали проще, удобнее и меньше. Автоматизиро
ванные и компьютеризированные инструменты должны сильно упрощать после
довательность анализов для пользователя и делать возможными, вместе с тем,
удобство обслуживания благодаря обученным сотрудникам. За недостатком опыт
ного и потому дорогостоящего персонала, а также необходимого времени методы
анализов больше не разрабатываются до готовых к применению процессов. Эко
номию рабочей силы путем ускорения и автоматизации методов сегодня часто
как экономическое преимущество ценят выше, чем правильность результатов. Тем
не менее, всегда должно оставаться ясным, что окончательная оценка метода и
результатов является обязанностью соответствующего пользователя, а компью
тер только помогает ему в работе. Для квалифицированных решений на основе
стоимости анализов необходимым условием являются надежные результаты из
мерений. Анализы с высокой надежностью и возможностью глобального сопос
тавления невозможны без высокообразованных аналитиков.
Эти размышления легли в основу данного учебника. Инструментальным ана
лизом не могут заниматься люди, обслуживающие приборы согласно указанию и
не знающие, что они делают. Книга была составлена практиком для прикладного
инструментального анализа. Автор в процессе обучения химии работал еще с
«классическими» устройствами без компьютеров, и позже в Институте производ
ственной техники и автоматизации им. Фраунгофера (IPA) в Штутгарте построил
лабораторию инструментального анализа, работавшую со всеми основными ме
тодами необходимыми для исследования и развития области технологии по
верхностей. После этого его аналитические знания пригодились при развитии и
запуске производства продуктов высоких технологий фирмы IBM.
С 1984 года он преподает инструментальный анализ в области технологии по
верхностей и материаловедения в Техническом институте Аалена. Первоначаль
но разрозненные тезисы были объединены в сборник лекций, которые за после
дние годы постоянно расширялись и дополнялись. Данная книга дает представ
ление о современном состоянии приборной базы и возможности ее применения.
Предисловие автора 21
Как аппаратура, так и положенные в ее основу технологии и способы примене
ния инструментальной аналитики являются исключительно успешными иннова
циями и требуют от всех пользователей заботиться о постоянном расширении и
обновлении ранее приобретенных знаний. Цель книги состоит в том, чтобы пере
дать читателю профессионально обоснованное видение в области инструменталь
ной аналитики от основ до новейших разработок. Квалифицированный персонал
аналитической лаборатории, студенты специальных высших учебных заведений
и обучающиеся химии могут получить обзор различных инструментальных мето
дов анализа и разнообразия поставленных аналитических задач.
Кроме того, обширные и часто сложные положения вещей преподносятся
начинающим в этом методе в понятной форме. Поэтому теория ограничена са
мыми необходимым для понимания отдельных методов основами, все общие под
ходы описываются практически с различными приложениями, преимуществами
и возможностями ошибки. Заинтересованный в аналитике ученый знакомится с
широкой палитрой различных методов инструментального анализа и получает
рекомендации по различной аппаратуре.
Подробные данные об источниках и многочисленные ссылки на литературу по
зволяют особенно заинтересованному читателю еще глубже проникать в материал.
Ю. Бёккер
Предисловие
Инструментальный анализ вследствие успехов в измерительной технике вообще
и, в частности, в микроэлектронике пережил в последние 10–20 лет бурное раз
витие и достиг высокого уровня эффективности. С этими разработками выросли
также требования к уровню знаний аналитика как пользователя аналитических
методов и технологий. Оптимальное, т.е. проблемно и практически ориентиро
ванное использование методов спектроскопии в анализах стало возможным только
тогда, когда пользователю известны методические основы, технические возмож
ности устройства, а также границы применения аналитических приборов или ана
литических систем.
Доктор Юрген Бёккер, как аналитик, работающий в промышленности, и че
ловек, многие годы преподающий в высшем учебном заведении, представил в сво
ей книге фундаментальный курс, который обсуждает наиболее важные и распро
страненные методы хроматографии, включая капиллярный электрофорез. Кни
га, в очень понятной и ориентированной на практику форме, дает представление
как о современном состоянии методов и технике анализов, о наиболее важных
теоретических основах, так и о деталях аналитических определений и приборно
технического оформления. Каждая глава ведет читателя от физических основ к
деталям практического анализа. В его критической оценке преимуществ и недо
статков, а также границ методов и приборных технологий эта книга помогает от
ветственному использованию высокоинструментализованных, снабженных ком
пьютерным программным обеспечением методов анализа для получения надеж
ных и правильных результатов.
С этой книгой аналитику больше не придется быть только слугой «черного
ящика», который часто чувствует себя регламентируемым программным обеспе
чением. Он поймет взаимные связи и, вместе с тем, поймет свой «аналитический
инструмент», т.н. «высокоэффективную» технику, и сможет ее оптимально исполь
зовать. Я желаю этой книге широкого распространения в надежде, что заложен
ные Ю. Бёккером основы и обширные детальные знания методик и техники бу
дут способствовать ответственному обращению с инструментальными методами
анализа нашего времени.
Профессор Георг Швед,
Технический унверситет, Клаусталь
Предисловие автора
Аналитическая химия с ее традиционным взглядом на качественный и количе
ственный состав веществ является той дисциплиной, которая столетия назад ос
новала химию и сделала ее наукой. С начала этого века синтетическая химия с ее
значительными разработками все больше отодвигала на задний план аналитичес
кую химию. Но благодаря революционному развитию и устойчиво растущим по
требностям биологии, медицины, материаловедения, технике и экологии анали
тическая химия пережила грандиозный подъем. При этом в прошлом остался кри
зис восприятия, темой которого является отказ от промышленности и, особенно,
от химической промышленности. Аналитическая химия быстро становится все
более значительным экономическим фактором, который, однако, недостаточно
популяризирован. Многие проблемы, например, борьбы против болезней, охра
ны окружающей среды и экономного обращения с сырьем и энергией могут ре
шаться только с помощью химии. Если раньше аналитика скорее обслуживала
другие научные области, то теперь она развилась в самостоятельную дисциплину
с растущими потребностями.
Гравиметрия и объемный анализ по природе являются классическими мето
дами классической химии. Бурное развитие электроники и приборных техноло
гий привело к тому, что все больше химических методов анализа заменялось бо
лее точными и более быстрыми физическими методами обнаружения и определе
ния. Сегодня химическая аналитика полностью ориентирована на инструменталь
ный анализ. Развитие инструментального анализа в сочетании с электронной
обработкой данных не только ускорило ряд прикладных аналитических процес
сов, но и привело к немыслимым ранее пределам обнаружения. Вместе с тем, вре
мя проведения анализов было значительно сокращено. Это, однако, не значит,
что дорогостоящие приборы гарантируют успех, но без подходящего инструмента
больше ничего не получится. Сегодня особенно штроко используются различные
спектроскопические методы, как, например, ядерный резонанс, ИК или масс
спектрометрия, чтобы дать ответ почти на все поставленные вопросы о структуре
молекул или качественном и количественном составе материи.
От искусства анализа зависит прогресс в химии и всех более или менее род
ственных ей дисциплин. С каждым днем нам становится более очевидно, как силь
но аналитика способствует технологическому прогрессу. С другой стороны, она
также необходима, чтобы узнавать об опасностях для окружающей среды и наше
го здоровья и отражать их. Так в целом и общем выглядят очертания применения
современной аналитики, которая ускоряет развитие в разных областях науки, про
мышленности и во всех областях человеческой деятельности в странах с высокой
цивилизацией.
Результаты проверки лабораторий являются основой для национальных и меж
дународных предписаний и влияют, в том числе, на экономику, здоровье и охрану
окружающей среды. Для принятия квалифицированных решений необходимым
условием являются надежные результаты измерений, так как ошибочные резуль
таты могут иметь значительные последствия. Поэтому лозунгами аналитики все
чаще становятся качество, управление качеством продукции и контроль качества
Предисловие автора 19
работы «good laboratory practice» (GLP). При этом требования к аналитике все
больше возрастают, однако затраты на проведение анализов не могут увеличи
ваться из за сильной конкуренции и возникающего вследствие этого ценового
давления. Поэтому, в общем, преследуется цель гарантировать наилучшее каче
ство анализа с минимальными издержками. Это является основанием для глубо
ких перемен, которые в настоящее время начались в лабораториях. Руководство и
сотрудники лаборатории должны все больше и больше рассматривать свою рабо
ту с позиций рационализации, продуктивности и производственной экономики.
Тенденция к автоматизации и рационализации не исчезает также в инструмен
тальной аналитике. Производители устройств предлагают для этого на рынке все
более чувствительные, значительно более быстрые, более точные и очень удоб
ные для пользователя приборы, которые отмечены высокой степенью автомати
зации от ввода проб до обработки данных.
Компьютеры с соответствующим программным обеспечением для управле
ния качеством продукции могут помогать в том, чтобы достичь этой цели. Тем
временем началась аккредитация лабораторий, условием которой является одно
значное управление качеством продукции. Мультимедиа также входит в технику
анализов и, вследствие этого, появляется возможность удаленного контроля и
обслуживания, которые позволяют осуществлять надзор и управление сложными
системами анализов. Всемирные высокоскоростные сети установят глобальный
обмен данными.
В то время как деятельность аналитика по существу ограничивалась раньше
контролем качества продуктов и установлением структуры новых веществ, сегод
ня аналитика интегрирована в процесс производства в целом для возможности
быстрого вмешательства и оптимизации. Ранее независимые отделы «производ
ства» и «аналитики» должны теперь сотрудничать более тесно, так как оптимиза
ция всех этапов особенно улучшает расчет добавленной стоимости. Тенденции к
повышению продуктивности в рутинной аналитике, такие как снижение затрат
на анализ, дальнейшая автоматизация, дружелюбие сервисного персонала, взве
шенные решения, более быстрые результаты, проверочные средства контроля и
постоянная переподготовка, являются только несколькими примерами. Комплек
сные процессы могут осуществляться автоматизацией очень просто и надежно.
При этом аналитик должен работать все с большим набором разных методов, ко
торые удовлетворяют требованиям «ноу хау». Тенденция методического и техни
ческого комбинирования аналитических технологий неуклонно возрастает. С ком
бинированными технологиями прикладная аналитика сделает значительный шаг
вперед. С тех пор как человек начал вести хозяйство промышленным способом,
он все больше нагружает окружающую среду выхлопными газами, сточными во
дами и отбросами. Непереработанные отходы накапливаются в земле, воде и воз
духе и раньше или позже попадают в пищевую цепь к человеку. Поиск таких вред
ных веществ является задачей анализа окружающей среды. Вопросы окружаю
щей среды усиленно рассматриваются с точки зрения цены без того, чтобы видеть
там шансы эволюции окружающей среды, экономики и общества. На рынке ана
литических услуг по охране окружающей среды в течение последних лет про
исходят большие изменения, информационные требования для предприятий по
20 Предисловие автора
стоянно возрастают. Удовлетворяющее экологическим требованиям качество про
дуктов стало фактором конкуренции на международной арене. Из за растущих
обязательств по охране окружающей среды в приборостроении есть тенденция
миниатюризации аналитических методов с целью уменьшения потребления.
Все еще очевидное расхождение существует между растущим значением хи
мического анализа и соответствующим учебным предложениям институтов. В Гер
мании аналитическая химия традиционно связана с неорганической химией. Ана
литическая химия – это типично прикладная наука. Разнообразие аналитических
постановок задач требует высокой доли междисциплинарных совместных работ,
которые часто выходят за рамки химии. Аналитическая химия требует собственных
специфических знаний, образа мыслей и стратегий. Они начинаются с правильно
го отбора пробы, свободного от загрязнений обращения и обработки, включают,
разумеется, оптимальное инструментальное измерение и заканчиваются оценкой
данных и их интерпретацией. Развитие аналитических методов происходит иначе,
чем в классических специальностях химии, не только в институтах, но и на прибо
ростроительных фирмах и, кроме того, в промышленных лабораториях.
Аналитические инструменты стали проще, удобнее и меньше. Автоматизиро
ванные и компьютеризированные инструменты должны сильно упрощать после
довательность анализов для пользователя и делать возможными, вместе с тем,
удобство обслуживания благодаря обученным сотрудникам. За недостатком опыт
ного и потому дорогостоящего персонала, а также необходимого времени методы
анализов больше не разрабатываются до готовых к применению процессов. Эко
номию рабочей силы путем ускорения и автоматизации методов сегодня часто
как экономическое преимущество ценят выше, чем правильность результатов. Тем
не менее, всегда должно оставаться ясным, что окончательная оценка метода и
результатов является обязанностью соответствующего пользователя, а компью
тер только помогает ему в работе. Для квалифицированных решений на основе
стоимости анализов необходимым условием являются надежные результаты из
мерений. Анализы с высокой надежностью и возможностью глобального сопос
тавления невозможны без высокообразованных аналитиков.
Эти размышления легли в основу данного учебника. Инструментальным ана
лизом не могут заниматься люди, обслуживающие приборы согласно указанию и
не знающие, что они делают. Книга была составлена практиком для прикладного
инструментального анализа. Автор в процессе обучения химии работал еще с
«классическими» устройствами без компьютеров, и позже в Институте производ
ственной техники и автоматизации им. Фраунгофера (IPA) в Штутгарте построил
лабораторию инструментального анализа, работавшую со всеми основными ме
тодами необходимыми для исследования и развития области технологии по
верхностей. После этого его аналитические знания пригодились при развитии и
запуске производства продуктов высоких технологий фирмы IBM.
С 1984 года он преподает инструментальный анализ в области технологии по
верхностей и материаловедения в Техническом институте Аалена. Первоначаль
но разрозненные тезисы были объединены в сборник лекций, которые за после
дние годы постоянно расширялись и дополнялись. Данная книга дает представ
ление о современном состоянии приборной базы и возможности ее применения.
Предисловие автора 21
Как аппаратура, так и положенные в ее основу технологии и способы примене
ния инструментальной аналитики являются исключительно успешными иннова
циями и требуют от всех пользователей заботиться о постоянном расширении и
обновлении ранее приобретенных знаний. Цель книги состоит в том, чтобы пере
дать читателю профессионально обоснованное видение в области инструменталь
ной аналитики от основ до новейших разработок. Квалифицированный персонал
аналитической лаборатории, студенты специальных высших учебных заведений
и обучающиеся химии могут получить обзор различных инструментальных мето
дов анализа и разнообразия поставленных аналитических задач.
Кроме того, обширные и часто сложные положения вещей преподносятся
начинающим в этом методе в понятной форме. Поэтому теория ограничена са
мыми необходимым для понимания отдельных методов основами, все общие под
ходы описываются практически с различными приложениями, преимуществами
и возможностями ошибки. Заинтересованный в аналитике ученый знакомится с
широкой палитрой различных методов инструментального анализа и получает
рекомендации по различной аппаратуре.
Подробные данные об источниках и многочисленные ссылки на литературу по
зволяют особенно заинтересованному читателю еще глубже проникать в материал.
Ю. Бёккер
ÃËÀÂÀ 1
ÂÂÅÄÅÍÈÅ
Аналитические приборы во всем мире являются важными вспомогательными сред
ствами исследования, развития и производства. Сегодня данные анализа могут
приводить к определенному беспокойству и даже волнениям в обществе, но во
многих случаях именно они позволяют принимать важные для общества реше
ния. Под термином «аналитика» в химии обычно понимают предмет, изучающий
состав вещества и методы его определения. Она представляет исходный пункт, с
которого начинаются все связанные с оборотом веществ законодательные акты,
служащие для обеспечения безопасности и повышения качества нашей жизни.
Аналитическая химия является, таким образом, прикладной наукой, которая се
годня больше, чем когда либо, имеет фундаментальное значение не только в хи
мии, биохимии и химии пищевых продуктов, но и в таких науках, как биология,
клиническая химия, геология, материаловедение, экология и контроль окружаю
щей среды и даже физика.
Междисциплинарное значение аналитической химии в нашем современном
индустриальном обществе сегодня вряд ли подлежит сомнению. Она необходима
как для развития современных технологий, таких как, например, микроэлектро
ника, сверхпроводимость, так и для обнаружения и минимизации возникающих
при этом неизбежных рисков для жизни и окружающей среды. Проникновение
аналитики во все более неожиданные области обусловлено кардинальными успе
хами этой науки, которые она достигла за прошедшие годы, и ведет к дальнейше
му распространению и применению высокоспециализированных приборов, ко
торые благодаря использованию микроэлектроники намного проще в употребле
нии, чем многие методы классической аналитической химии.
Бурное развитие аналитических методов и измерительных технологий, преж
де всего в прошедшие двадцать лет, значительно расширило поле деятельности
аналитики. Раньше ее деятельность ограничивалась в основном контролем каче
ства продукта и, в незначительной степени, установлением структуры новых ве
ществ. Сегодня, напротив, аналитика является частью процесса производства в
целом. К классическим областям контроля качества и структурного анализа до
бавились, в частности, защита окружающей среды, анализ безопасности, а также
научные исследования и опытно конструкторская деятельность. Токсикологичес
кие и аналитические исследования новых веществ и их метаболитов, контроль
технологических процессов, анализ следовых количеств веществ и измерение вред
ных эмиссий стали сегодня рутинными. С расширением области применения за
последние сто лет выросли также и затраты на проведение аналитических опреде
лений. В то время как оборот в расчете на одного сотрудника в химической про
мышленности за этот период утроился, стоимость анализа в расчете на одного
сотрудника выросла в десять раз. Так, например, на фирме «Байер» первый ана
литик в аналитический отдел был принят в 1893 году, а в конце 90 х годов двадца
Введение 23
того века расходы аналитического отдела фирмы составляли около 500 милли
онов марок в год, и в нем было занято около 2500 сотрудников [1.1].
Все приборные аналитические методы базируются на том или ином физико
химическом явлении, из которых два играют в аналитике наиболее важную роль:
это использование поглощения и испускания света в спектроскопии и разделе
ние веществ за счет распределения между двумя различными фазами в хроматог
рафии. Все другие методы представляют интерес или для решения только специ
фических задач, или исключительно для анализа чистых веществ. Разделение сме
сей путем распределения между двумя различными фазами, из которых одна яв
ляется неподвижной, а другая – движется (хроматография), имеет важнейшее
значение в инструментальном анализе.
Развитие метода хроматографического разделения и инструментального ана
лиза в сочетании с электронной обработкой данных привело, однако, не только к
расширению области применения аналитических методов. Пределы обнаруже
ния веществ также смещаются к величинам, которые даже трудно представить.
Чувствительность аналитических измерений органических соединений измени
лась за последние годы от микрограмма (10–6 г) до фемтограмма (10–15 г), а в ис
ключительных случаях даже до аттограмма (10–18 г).
Если, например, хотят определить в 1 мкг пробы какого либо элемент, при
сутствующий в концентрации 1 нг/г (1 ppb), то предел обнаружения должен быть
не ниже 10–15 г (фемтограмм = фг). Если рассмотреть под этим углом зрения пре
делы обнаружений обычных методов анализа, то эта цель достижима только в
немногих из них и то только с очень большой ошибкой.
От достоверности аналитического метода зависит оценка его экономической
эффективности. Если учесть, что на основании аналитических данных порой при
нимаются очень важные решения, то становится ясно, насколько дорогими могут
оказаться на первый взгляд дешевые методы анализа, которые приводят к ошибоч
ным результатам. Систематические ошибки, которые искажают результаты анали
зов в сторону слишком высокого или слишком низкого содержания вещества в пробе
(в противоположность к математически учитываемой статистической погрешнос
ти), являются центральной проблемой, например, анализа следовых количеств.
Развитие аналитических методов имеет огромное значение для научных ис
следований и науки. Все более низкие пределы обнаружения и новые «рекорды» в
анализе ультраследовых количеств веществ делают детектируемыми все больше
антропогенных веществ в окружающей среде, пищевых продуктах и на рабочем
месте. Источники вредных веществ могут быть, таким образом, выявлены и обез
врежены. С другой стороны, вследствие все возрастающей эффективности ана
литических определений возникает напряженность между химией и обществен
ностью: доказательство того, что какое то соединение появилось в окружающей
среде, общественность часто приравнивает, невзирая на концентрации, к реаль
но существующей угрозе человеку и окружающей среде. Это дает питательную
среду спорам о вреде химии, которые становятся все более жаркими и эмоцио
нальными. Они, однако, базируются в основном на абсолютных численных дан
ных, величины которых лежат в области нано и даже пикограммовых количеств
и которые трудно себе представить [1.2].
24 Глава 1. Введение
Так, к примеру, все 92 природных элемента издавна являются составной час
тью нашего мира, нашей пищи и наших тел, только теперь мы знаем также поря
док величины, в которой они присутствуют. Ужасное сообщение о том, что в щеб
не было найдено 1000 ppt кадмия, теряет свой пугающий характер для тех, кто
знает, что это составляет около миллиграмма на тонну и что земная кора содер
жит в среднем около 300 мг кадмия на тонну [1.3].
Токсикологическая значимость этих аналитических данных для человека и
окружающей среды часто упускается при этом из виду. То же самое имеет место и
для законодательно установленных норм, которые определяют предельные зна
чения концентраций вредных для здоровья и окружающей среды веществ. Еще
Парацельс нашел, что токсичность вещества в первую очередь зависит от дози
ровки и нет «нулевой нагрузки». Было бы желательно установить и согласовать на
международном уровне как токсикологически обоснованные, так и специфичес
кие для вещества предельно допустимые концентрации.
Аналитическая химия необходима, когда речь идет о развитии новой техноло
гии и, одновременно, минимизации всех возможных рисков. Предпосылкой яв
ляется, однако, не только достоверность аналитических данных, но и их правиль
ная интерпретация с учетом, прежде всего, воздействия антропогенных веществ
на человека и окружающую среду. Экстраполяции и общие заключения о вредно
сти некоторых веществ, которые являются справедливыми в области высоких и
средних концентраций, больше не работают при низких концентрациях. Некри
тическая корреляция действия некоторых веществ с их концентрацией, прежде
всего, благодаря дилетантам, но также из за дефицита общения, преднамерен
ных или случайных ошибочных оценок и умаление существующих опасностей
учеными нарушили в прошлом доверие общественности к химии.
Аналитическая химия – это источник инноваций и страха. Наиболее сложная
ее задача сегодня заключается в том, чтобы донести до общества новые знания из
области аналитики. Только так удастся преодолеть страхи и предубеждения. Ко
нечно, учитывая быстрый рост человечества, мы должны беречь наш окружающий
мир, нашу землю, полезные ископаемые, воду и воздух. Однако все, кто имеет дело
с данными по загрязнению окружающей среды, как аналитики, так и средства мас
совой информации, выступающие посредниками в работе по связи с общественно
стью, должны в высокой степени чувствовать свою ответственность [1.4]. Сред
ства массовой информации в полной мере информируют общество в своих док
ладах о проблематике анализа окружающей среды. Со времени трагедии в Зевезо в
1976 году особенно чувствительна реакция общественности на наличие диоксинов.
Так как все больше решений, принимаемых в политике и экономике, исполь
зует данные аналитической химии, широта приложения аналитики будет и даль
ше усиливаться. Необходимо, однако, понимать, что анализ следовых количеств
на практике сталкивается с ограничениями. Даже когда пределы обнаружении
аналитического метода вполне достаточны, нужно всегда учитывать целую цепочку
возможностей ошибиться, начиная с отбора, транспортировки и подготовки пробы
до конечного этапа определения [1.5].
В химическом производстве значение аналитики также растет. Причиной этого
является требование к повышению защиты окружающей среды и безопасности, а
Введение 25
также оптимизация потребления реагентов и энергии при одновременном повы
шении качества продукта. В прошлом химические предприятия сами разрабаты
вали аналитические методы для производства, так как готовых решений было мало,
пока производители аналитических приборов не обнаружили этот быстро расту
щий рынок. Наряду с разработкой больших приборов, которые иногда работают на
пределе своей экономической эффективности, все большее значение приобретают
небольшие портативные приборы для проведения анализа непосредственно на ме
сте отбора пробы. В этом случае учитывается не только точность прибора, но и, в
большей мере, скорость, с которой могут быть получены надежные данные.
Под инструментальным анализом понимают применение физических мето
дов в аналитической химии. Характерным для внедрения физических методов
является то, что в основном результат анализа первоначально получают в форме
электронного сигнала. Тем самым эти методы совместимы с последующей обра
боткой сигнала: измеренные величины можно быстро и автоматически регистри
ровать, обрабатывать и оценивать. Поскольку инструментальный метод основан
на физическом процессе, например, на взаимодействии аналитов и электромаг
нитного излучения (спектроскопия) или распределения между двумя фазами (хро
матография), процессы измерения и подача пробы, как правило, могут быть так
же автоматизированы.
Быстрое развитие получила автоматизация анализа. С 70 х годов методы об
работки данных открыли аналитике новый уровень качества анализа и до сих пор
недоступные методические подходы. Успехи, достигнутые за счет внедрения вы
числительной техники, можно подразделить на поддержку (англ.: Computer aided)
и оптимизацию традиционного анализа и на методы, которые стали возможны
только благодаря применению вычислительной техники (англ.: Computer based).
К последним принадлежит, например, ИК Фурье спектроскопия.
Компьютеризированный анализ достиг, между тем, такого уровня, что луч
шего можно и не желать. Компьютор не только регистрирует измеряемый сигнал,
он управляет ходом анализа, калибрует прибор (при необходимости) и с помо
щью меню проводит пользователя по программе. Сегодня пользователь ожидает
систему, которая обеспечит ему максимальный результат на всех этапах, начиная
с подготовки пробы – этой падчерицы анализа – до удобной обработки данных,
сохранения результатов и управления процессом в целом, включая оптимальный
выбор метода.
В последнее время внедрение компьютера в инструментальный анализ про
должилось с еще большей скоростью и последствиями и вызвало скрытую рево
люцию, которая проявляет себя во многих областях. Подавляющее большинство
приборов управляется одним или несколькими компьютерами, данные непосред
ственно принимаются системой обработки и результаты достаточно часто выда
ются не в виде спектра или хроматограммы, но в виде прямого ответа на постав
ленный вопрос (что? и сколько?). Это ведет, естественно, к известной отчужден
ности оператора по отношению к важным процессам внутри прибора, так что
внутренний контроль также должен осуществляться компьютером.
Следовало бы действительно однажды задуматься, какие белые пятна были
бы сегодня на нашей научной картине мира, если бы не изобрели хроматогра
26 Глава 1. Введение
фию. Особенно наше знание окружающего мира, биологических процессов и
скрытых в них органических соединений было бы для низкомолекулярных со
единений настолько же неполным, как это в настоящее время еще имеет место
для высокомолекулярных соединений.
Более ста лет известно, что выделение индивидуальных компонентов из слож
ных смесей является практически единственной возможностью их определения.
И только в элементном анализе, благодаря спектроскопическим методам, удает
ся относительно часто это правило нарушить. Все же молекулярная спектроско
пия, самостоятельно или совместно с химическими методами разделения, еще
должна быть доведена до совершенства, если ее рассматривать как замену хрома
тографическим методам, что сегодня кажется только утопией.
Что является уникальным и особенным в этом методе? Да то, что впервые для
метода разделения решающую роль играет время: как при перемещении пробы,
при постоянно обновляемом состоянии квазиравновесия, так и в типе обуслов
ленных диффузией ограничений всех этих процессов. Интересно, что в природе
этому трудно найти аналог. Вряд ли другой метод разделения обладает таким ши
роким динамическим диапазоном и сравнительно большой гибкостью, особенно
если учесть многочисленные разнообразные возможности детектирования.
Хотя хроматография почти с самого начала является предметом строгой науч
ной интерпретации, она была и остается инструментом, применение которого
почти никак не связано с умением или профессиональным образованием. Стоит
добавить: в простейшем случае! Экономическую выгоду, полученную с помощью
приборов стоимостью 50 000 евро, можно получить в определенных условиях также
и с простыми тонкослойными пластинками. Поэтому не стоит удивляться, что хро
матогафия за 30 лет завоевала мир аналитики и, соответственно, была коммерци
ализована.
Еще совсем недавно аналитики накатывали пластинки для тонкослойной хро
матографии, набивали колонки, вытягивали и заполняли капилляры и вычисля
ли площади пиков с помощью планиметра. Сегодня аналитики покупают изго
товленные в промышленности готовые системы, уже укомплектованные всеми
необходимыми принадлежностями. Обладатель современных приборов не осво
бождается, однако, от тяжелой подготовительной работы и прочего подобного
вмешательства в чисто «инструментальный» процесс. Плохо, если слепое дове
рие к «черному ящику» ведет к полному отказу от знания разделяющих свойств
стационарных фаз и межмолекулярных взаимодействий.
В дальнейшем, конечно, будет также полезно, снова и снова обращаться к
области наименьших количеств образцов и наиболее низких концентраций. Здесь
хроматография, между прочим, достигла того, что термин «микроанализ», озна
чавший во времена высочайший уровень экспериментального мастерства при
обращении с миллиграммовыми количествами пробы, вышел из употребления,
или, если сформулировать положительный аспект, стал практически равнознач
ным понятию «современные аналитические методы». Методы, которые сегодня
работают с граммовыми количествами, то есть с относительно большими масса
ми пробы, представляют скорее исключение. Это же справедливо и для спектро
скопии, но в особенности – для хроматографии.
1.1. Знание – сила 27
Здесь нужно отметить еще один момент, который для технического развития
хроматографии имеет большее значение, чем для других аналитических методов:
усовершенствование управляющих приборов, колонок, особенно технологии ка
пиллярных колонок, и, не в последнюю очередь, улучшение известных и откры
тие новых принципов детектирования, прежде всего, для жидкостной хромато
графии.
Спрос на аналитические приборы растет во всем мире. В 1990 году оборот от
расли аналитического приборостроения составил 5,1 миллиарда долларов, 40%
которых пришлось на США, около 30% – на Западную Европу, 20% – на Японию.
Доли рынка распределились следующим образом: 50% – спектроскопия (причем
лидером является масс спектроскопия с оборотом 400 миллионов долларов), за
тем – хроматография с лидером роста ВЭЖХ1, приборы для контроля процессов
на месте отбора пробы и СКФХ2 [1.6].
Мировой оборот для приборов, которые позволяют разделять химические со
единения, составляет почти два миллиарда долларов с неуклонным ростом 10% в
год. Приборы, используемые для проведения разделений, составляют около 40%
мирового оборота всех аналитических приборов. При этом жидкостная хрома
тография занимает почти две трети всех приборов, используемых для проведения
разделения. Эти данные отражают также значение методов разделения в совре
менном промышленном инструментальном анализе. До трех четвертей аналити
ческой работы в промышленных аналитических лабораториях приходится на ра
боту с методами разделения.
1.1. Знание – сила
Решение аналитических проблем с помощью хроматографии, обработка данных
и проверка статистической значимости требуют обширных специальных знаний.
Потребность в передаче основных методических и технических знаний, также как
и в повышении квалификации, очень велика. Такие аналитические методы, как
газовая хроматография (ГХ) или жидкостная хроматография (ЖХ), вследствие
быстрого развития их инструментальной базы предъявляют высокие требования
к их целенаправленному применению. Кроме того, внедрение результатов науч
ного прогресса в повседневную практику иногда не лишено проблем.
Центральной проблемой, которая встречается не только в хроматографии,
является вопрос, как представить и объяснить очередное «ноухау» новичку, не
профессионалу или сотруднику, который переквалифицируется. Поэтому профес
сиональное образование и повышение квалификации приобретают важное зна
чение.
К счастью, здесь есть широкий выбор обучающих курсов. Прежде всего сле
дует назвать курсы повышения квалификации при Объединении химиков Герма
нии (GDCh) и других организациях. Из 19 групп GDCh самой большой является
группа аналитической химии, которая насчитывает почти 3000 членов. Она со
1 ВЭЖХ – высокоэффективная жидкостная хроматография.
2 СКФХ – сверхкритическая флюидная хроматография.
28 Глава 1. Введение
стоит из девяти рабочих подгрупп, что отражает разнообразие методов и вопро
сов аналитической химии. Наряду с информационным общением внутри профес
сионального сообщества центральной задачей этой группы является выделение
аналитической химии как обособленной дисциплины, не привязанной к неорга
нической химии, что сложилось исторически, но больше не соответствует дей
ствительности [1.7].
Фирмы производители предлагают вводные курсы по работе с их приборами.
На профессионально ориентированных выставках, таких как INCOM, ANALYTIKA
и ACHEMA в Германии и конференции и выставке в Питсбурге в США есть ин
формация для профессионалов. Наконец, проводятся национальные и междуна
родные симпозиумы в специальных областях. Здесь можно найти обзор состояния
исследований и техники в каждой области и обсудить профессиональные пробле
мы с коллегами.
Стремление к защите окружающей среды изменяет рынки и вводит новые тех
нологии производства. Структура традиционных рынков и методов конкуренции
меняется, устраняя токсичные производства. Таким образом, появляются даже
новые виды деятельности: в 2000 году в Германии, по мнению экспертов, появи
лось около 1,1 миллиона рабочих мест для экологов. И все таки, в деле защиты
окружающей среды предпринимателям часто предъявляют чрезмерные требова
ния и заставляют их цепляться за вчерашний уровень техники. Это означает, что
они ожидают законодательных решений.
Сегодняшние приоритеты, такие как качество и надежность, не препятству
ют, как известно, тому, что продолжают выбрасывать горы мусора и металлолома.
Возникающая отсюда угроза биосфере должна быть уменьшена насколько это
возможно, для чего аналитика может внести определенный вклад. Так как у про
изводителя, как правило, имеется полная информация о составе исходных и ко
нечных продуктов, то развитие методов анализа отходов может дополнительно
внести существенный вклад в дело защиты нашей биосферы от вредных веществ.
На основе измененных рамочных условий будущие процессы производства опти
мизируют не только для получения продукции, но и для внедрения малоотходных
технологий, минимизирующих образование отходов и стимулирующих развитие
их вторичного использования.
Наука о составление экобаланса еще очень молода. Она рассматривает воз
действие продуктов и услуг на окружающую среду в течение всего срока их жизни
с учетом критериев потребления ресурсов, выбросов и отходов. Это требует хоро
шо структурированного, объективного и удобного образа действий [1.9]. Кто из
бегает работы с экологически вредными веществами сегодня, позже сэкономит
на экологической безопасности. Первоочередной задачей любого города и всех
его жителей является забота об окружающем их жизненном пространстве. Зако
нодательные органы и аналитические службы страны заботятся о том, чтобы убе
речь наш мир от дальнейшего загрязнения [1.10].
ÃËÀÂÀ 2
ÒÅÕÍÈÊÀ ÕÐÎÌÀÒÎÃÐÀÔÈÈ
Хроматография является физико химическим методом, который может быть ис
пользован для разделения веществ. Он может использоваться как в аналитичес
ких, так и в препаративных целях, но в основном он служит для идентификации и
количественного определения органических и неорганических соединений.
В аналитике этот метод часто используют, чтобы выделить и идентифицировать
отдельные компоненты. Хроматографию считают сегодня наиболее употребимым
и мощным методом, который наилучшим образом подходит для процессов разде
ления.
2.1. История хроматографии
История хроматографии началась, собственно говоря, еще при Аристотеле, кото
рый использовал глинозем для очистки морской воды. Принципы очистки были ему,
конечно, не известны. Днем рождения хроматографии считается 21 марта 1903 года.
В этот день русский ботаник Михаил Семенович Цвет доложил на биологической
секции Варшавского сообщества естественных наук «о новой категории адсорб
ционных явлений и о применении их к биохимическому анализу». Три года спус
тя последовали два уточняющих открытия о «физико химическом изучении ад
сорбции хлорофиллов» и «Адсорбционный анализ и метод хроматографии, при
менение к химии хлорофиллов». Наряду со многими другими попытками разде
ления уже известных красителей Цвет наполнял стеклянную трубку инулином
(углевод) и нанес на колонку экстракт хлорофиллов в лигроине. Цвет (1872–1919)
писал так:
«Из нижнего конца воронки вытекает сначала бесцветная, потом желтая жид
кость (каротин), в то время как в поверхностных слоях инулинового столба воз
никает интенсивное зеленое кольцо, на нижнем крае которого быстро образуется
желтая кайма. При последующем пропускании через инулиновый столб чистого
лигроина оба кольца, зеленое и желтое, значительно расширяются и распростра
няются вниз до известного предела. Как цветные лучи солнечного спектра раз
личные компоненты из смеси пигментов были выделены и могли анализировать
ся дальше количественно и качественно».
Свой метод Цвет назвал
Хроматография = Запись цвета
и результат, а именно различные цветовые зоны – «хроматограммой». Цвет разде
лил с помощью своего метода хлорофилл А (зеленый) и хлорофилл Б (желтый) [2.1].
Работы Цвета не получили должного внимания среди профессионалов, и их
предали забвению. Хроматография находилась в забытьи до начала 30 х годов,
30 Глава 2. Техника хроматографии
когда к ней вернулась группа Ричарда Куна (1900–1967) в Институте фундамен
тальной медицины кайзера Вильгельма в Гейдельберге. Речь шла о проблеме раз
деления смеси окрашенных соединений из ряда каротиноидов или ксантофил
лов. К рабочей группе принадлежали швейцарский химик Альфред Винтерштайн
(1889–1960) и австрийский химик Эдгар Ледерер (1908–1988). Кун был учеником
Ричарада Вильштеттера (1872–1942) из Мюнхена, который, как и Цвет, исследо
вал химию хлорофиллов. За свои исследования, главным образом, хлорофиллов,
Вильштеттер получил в 1915 году Нобелевскую премию по химии. Вильштеттер
был одержим диссертацией Цвета по хлорофиллам (и хроматогрфии), переведен
ной на немецкий язык и изданной в виде книги, и читал ее Куну и его сотрудни
кам. Ледереру, используя методы хроматографии, описанные в книге, удалось
выделить четыре изомера каротиноидов из экстрактов яичного желтка. В 1938 году
Кун получил Нобелевскую премию по химии за предложенную Цветом адсорб
ционную хроматографию каратиноидов и витаминов.
В 1933 году Винтерштайн из группы Куна посетил «лабораторию пищевой хи
мии Данна» в университете Кембриджа и продемонстрировал хроматографичес
кое разделение каротиноидов. Ассистировал ему двадцатитрехлетний инженер
химик Арчер Портер Мартин, который был направлен в эту лабораторию, зани
мавшуюся проблемами питания, чтобы обнаружить витамин Е (токоферол). Почти
год спустя Мартин приступил к собственным исследованиям по хроматографии.
Он увидел некоторую аналогию:
«Я был околдован сходством хроматографии и дистилляционной колонны.
Механизмы разделения каротиноидов и разделение летучих веществ дистилля
цией были похожи. Две фазы двигались друг относительно друга, и взаимодей
ствия между ними определяли обмен веществ и их разделение». [2.2]
Ричард Лоуренс Миллингтон Синдж получил стипендию на определение
аминокислотной последовательности шерстяного волокна от Международного
фонда шерстяной промышленности, деньги которому были предоставлены Ав
стралией, Новой Зеландией и Южной Африкой. Ему в 1938 году в качестве парт
нера для решения проблем разделения был рекомендован доктор Мартин, кото
рого из за его окладистой бороды назвали «лабораторный Иисус». Мартин по
мог ему сконструировать противоточный экстрактор с использованием воды и
хлороформа. Целью работы было разделить смесь олигопептидов, которые об
разуются при разрушении протеинов волокна, на составные части, которые мож
но идентифицировать с тем, чтобы по ним установить исходную последователь
ность протеинов.
В 1940 году Мартин вернулся в Лидс в научную лабораторию британской шер
стяной промышленности, и Синдж, после короткого размышления, последовал
за ним, прихватив новую аппаратуру. Позже Синдж писал:
«Пока наша противоточная распределяющая машина работала, мы делили
динитрофенилгидразоны альдегидов хроматографически на оксиде магния. Не
удовлетворенные работой с хлороформно водным экстрактором, мы подумали о
том, нельзя ли его изменить таким образом, чтобы иметь только одну движущую
ся фазу и чтобы при этом проба вводилась в точке подачи подвижной фазы, как
при хроматографии».
2.1. История хроматографии 31
Идею быстро осуществили: кизельгель, насыщенный водой, представлял со
бой неподвижную фазу, в то время как хлороформ с небольшой добавкой этанола
протекал через колонку в качестве подвижной фазы. Комплексы с метилоранжем
в качестве индикатора позволяли наблюдать перемещение аминокислот по стек
лянной колонке.
В июне 1941 года Мартин и Синдж доложили результаты своей жидкость жид
костной распределительной хроматографии Биохимическому сообществу в Лон
доне, а 19 ноября 1941 года они отправили в «Biochemical journal» статью: «Новая
форма использования двух жидких фаз для хроматографии» [2.3], за которую в
1952 году получили Нобелевскую премию. В работе была также детально пред
ставлена теория процесса, которая, по мнению инженера химика Мартина, на
ходится в тесном родстве с процессом дистилляции. Так была постулирована «Вы
сота, эквивалентная теоретической тарелке» (ВЭТТ), отрезок между двумя вооб
ражаемыми площадками, на котором устанавливается распределительное равно
весие одного вещества между двумя фазами. ВЭТТ определяет эффективность
разделения, и для хроматографии эта величина оказывается равной 20 мкм, что
на порядки лучше, чем величина ВЭТТ в 10 мм, находимая для дистилляции.
При присуждении Нобелевских премий в 1952 году жюри, кажется, должно было
договориться, поскольку как в физике, так и в химии речь шла об аналитических
методах. Блох и Пурселл были отмечены за разработку спектроскопии ядерного
магнитного резонанса (ЯМР), а Мартин и Синдж – за открытие распределитель
ной хроматографии. Оба метода относятся сегодня к наиболее важным методам для
разделения смесей химических веществ и, соответственно, для идентификации и
структурного анализа вещества (ЯМР). В случае хроматографии научные работы ве
лись уже добрых 10 лет, когда в 1941 году Мартин и Синдж доложили впервые о своем
эксперименте по распределительной хроматографии с двумя жидкими фазами.
Исторический экскурс показывает, что Мартин и Синдж только немного опе
редили конкурентов из Норвегии и Голландии, возможно, потому, что они един
ственные непременно хотели решить вполне определенную проблему. Из голлан
дской группы в Клинкенберге из лаборатории нефти фирмы Шелл позже был вне
сен еще один существенный вклад в теорию хроматографии: уравнение Ван Де
емтера [2.4].
Основатель хроматографии Цвет в своих теоретических объяснениях представ
лял процесс разделения в колонке как цепочку селективных актов адсорбции. Тем
не менее, в этом он превзошел предшественника, американского исследователя
нефти Дэвида Т. Дэя (1989–1925), который, разделив на фракции сырую нефть на
колонке с фуллеровой землей, понимал процесс разделения как капиллярную
диффузию. В природе образование нефтей различного состава, вероятно, отчас
ти, также обусловлено хроматографическими процессами, когда нефть переме
щается через образования горной породы.