VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Хроматографией называется комплекс технических операций по разделению и физико-химическому исследованию веществ с использованием сорбционных явлений. Анализируемое вещество с потоком так называемого элюента (жидкости или газа) проходит через слой сорбента, в котором разделяется на составляющие его компоненты. Последние в зависимости от своего состава перемещаются с разной скоростью— медленнее те, которые лучше фиксируются на сорбенте. Пространственно разделенные компоненты обнаруживают по-разному: а) визуально на сорбенте — без обработки химическими реагентами или после таковой с переводом в окрашенные соединения; б) с помощью специального устройства — детектора после выделения (элюирования) каждого компонента из сорбента; в) некоторыми иными способами. При пользовании детектором его сигнал регистрируется самописцем или осциллографом, в результате чего получают диаграмму, называемую хроматограммой, которая представляет собой систему кривых, называемых пиками. Хроматограмма содержит информацию, позволяющую решить задачи качественного и количественного анализа. С наибольшей эффективностью хроматография применяется для анализа сложных смесей веществ из большого числа составляющих (до 200-300). Для данного вида исследований характерны сравнительная несложность технических средств, доступность и их относительно невысокая стоимость. Ниже рассматриваются виды хроматографии, которые наиболее часто и успешно используются в криминалистических целях.

ГАЗОВАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ. СУЩНОСТЬ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МЕТОДА

Исследование данным методом осуществляется посредством газового хроматографа. Вначале анализируемое вещество испаряется, и его пары смешиваются с инертным газом (например, гелием, неоном, аргоном, водородом или азотом), после чего полученная смесь вводится в колонку хроматографа, наполненную сорбентом (например, активированным углем или силикагелем). Затем колонка промывается тем же инертным газом для разделения анализируемого вещества на составляющие компоненты. В конце исследования выходящие из колонки компоненты детектируются и регистрируются. Основными частями газового хроматографа являются колонка, испаритель, термостат, детектор, регистрационное устройство. В колонках происходит процесс разделения анализируемой смеси. Заполненная сорбентом колонка именуется набивной. Детектор представляет собой устройство, определяющее измерение газового потока, выходящего из колонки (рис.1).

Рис.1. Блок-схема газового хроматографа

В качестве универсальных детекторов используются катарометр и плазменно-ионизационный прибор. С помощью катарометра, регистрирующего изменение теплопроводности газового потока, определяются практически все вещества, анализируемые данным методом. В этом детекторе в качестве чувствительного элемента используется вольфрамовая нить, нагреваемая постоянным током. Газ-носитель (элюент), протекая над нитью, отводит тепло с постоянной скоростью. Если в смеси с газом-носителем над нагретой нитью перемещаются молекулы анализируемого вещества, то скорость отвода тепла изменяется, вследствие чего изменяется электросопротивление нити, что приводит к изменению силы проходящего через нее тока. Изменения тока улавливаются гальванометром, с которым соединен самописец. Последний колебания тока преобразует на движущейся бумажной ленте в пики хроматограммы [2].

В плазменно-ионизационном приборе определяются все вещества, способные сгорать в пламени водорода. В приборе измеряется проводимость пламени, для чего над ним располагают специальный электрод, к концам которого приложено постоянное напряжение. При сгорании чистого водорода в токе кислорода проводимость пламени незначительна. При сгорании органического вещества за счет ионизации проводимость пламени возрастает, и соответственно этому усиливается ток в электроде. Этот усиленный сигнал записывается с помощью самописца. Помимо универсальных, используются селективные детекторы, которые чувствительны к веществам определенного класса. С помощью термостата осуществляется стабилизация температуры испарителя, колонки и детектора. Температура должна обеспечить быстрое испарение вещества, но при этом недопустимо термическое разложение вещества или иное его превращение. Для автоматической записи результатов анализа чаще всего применяется потенциометрический самописец с диаграммной лентой, либо осциллограф с записью кривой на фотобумаге, чувствительной к ультрафиолетовому излучению, а в последнее время и электронное устройство с числовым выражением показателей.Подготовка аппаратуры к исследованию включает: проверку подачи и регулирования газов; установку колонки, детектора и проверку их чувствительности; обеспечение нужного температурного режима; проверку устойчивости работы регистрирующего устройства и ряд других операций. Очень важны промывка колонки для освобождения сорбента от остатков веществ предыдущего анализа и выведения прибора на заданный режим. Подготовка объекта исследования имеет своей целью приведение его в состояние, пригодное для введения пробы в испаритель, что достигается подбором соответствующего растворителя. Нередко поступающие на исследование вещественные доказательства находятся в виде следов на объектах-носителях или распределены в их массе. Отделение исследуемого вещества от объекта-носителя осуществляется экстракцией подобранным для этой цели растворителем [1].

Качественный и количественный газовый хроматографические анализы. Качественный состав анализируемой пробы устанавливают, исходя из таких полученных хроматографических характеристик, как время удерживания, удерживаемый объем, относительное удерживание. Время удерживания представляет собой время с момента ввода пробы до появления максимума пика на хроматограмме, удерживаемый объем— это объем газа-носителя, необходимый для элюирования вещества из хроматографической колонки, а относительное удерживание —отношение удерживаемого объема анализируемого вещества к удерживаемому объему эталонного заведомо известного) вещества, находящегося в той же колонке, при той же температуре. В экспериментах были изучены хроматографические характеристики органических веществ различных классов и установлены определенные зависимости этих характеристик от особенностей их химического строения. Это в значительной степени облегчает исследование веществ хроматографическим методом. Количественный анализ основан на измерении и расчете площадей пиков хроматограммы, поскольку эта величина для каждого пика пропорциональна концентрации соответствующего компонента исследуемого вещества. Методом газовой хроматографии исследуются в основном такие объекты, как нефтепродукты и горюче-смазочные материалы, спиртосодержащие жидкости, наркотические и некоторые фармацевтические средства, летучие компоненты полимерных материалов, пластмасс, резин. В числе исследуемых объектов встречаются самые различные продукты нефтяного происхождения: оружейные смазки, вощеные и копировальные бумаги, пропитки текстильных материалов.

При анализе указанных объектов применяют различные способы газовой хроматографии, в том числе: а) анализ в одних и тех же условиях исследуемого вещества и вещества известного состава-(эталона) с последующим сопоставлением их хроматограмм; б) ввод эталона в анализируемую пробу с последующим выявлением на хроматограмме пика, возросшего под влиянием добавки; в) сравнение удерживаемого объема и времени удержания для исследуемой пробы и эталона. Достаточно эффективно применение газовой хроматографии при исследовании бензинов. На основании соотношения содержания некоторых ароматических углеводородов (бензола, толуола и др.) можно сделать вывод о принадлежности исследуемого бензина к определенному виду, марке. Данным методом можно определить и октановое число бензина, а следовательно, установить и факт фальсификации[1].

Имеется возможность дифференцировать и такие нефтепродукты, как керосин и дизельное топливо. Методом капиллярной хроматографии можно дифференцировать смазочные масла, изготовление на основе нефтепродуктов. Дифференцирующим признаком при этом является относительное содержание углеводородов парафинового ряда с числом атомов углерода от 17 до 22, а также количественное соотношение таких углеводородов, как фитан и пристан, соответственно Н-парафинам С17 и С18. Поскольку состав смазочных масел сильно зависит от исходного сырья, надежные результаты можно получить только при сравнении двух образцов масел одной и той же марки и выпущенных одним заводом-изготовителем. Сходство по углеводородному составу двух образцов масла дает основание для их дальнейшего анализа другими методами, а различие— для категорического вывода об их различной групповой принадлежности. При испарении и горении нефтепродукты изменяют свой фракционный групповой и индивидуальный углеводородный состав. У каждого из них (бензина, керосина, дизельного топлива) — своя динамика изменения состава во времени. Их остатки, сохраняющиеся после испарения или выкипания легколетучих (низкомолекулярных) углеводородов, различны по своему составу. Это позволяет устанавливать вид нефтепродукта, использованного, например, для поджога, путем исследования веществ, экстрагированных из фрагментов сгоревших материалов (одежда, древесина и т.п.). В некоторых случаях более эффективно исследовать газовую фазу, содержащуюся в объектах, извлеченных из очага пожара. Очень важно тщательно подготовить пробу для анализа. Для этого образцы с места пожара помещаются в емкость и нагреваются до +100°С в течение 20 мин. Паровоздушная фаза пропускается через ловушку с активированным углем, а адсорбированные вещества извлекаются сероуглеродом. Полученные экстракты хроматографируются на набивных и капиллярных колонках.

Рассматриваемый метод применяется для исследования наркотических средств. При этом качественно и количественно определяется тетрагидроканнабинол, входящий в состав наркотических веществ, изготовленных из конопли, а также сопутствующие ему другие каннабиноиды: каннабидиол и каннабинол. Эти вещества определяются после их экстракции из анализируемой пробы органическими растворителями на капиллярных колонках. При газовом хроматографическом анализе наркотических средств вместе с основными компонентами конопли определяются так называемые минорные компоненты, т.е. вещества, содержащиеся в микроколичествах. Они имеют существенное значение при сравнительном исследовании наркотических средств, изъятых, например, у разных лиц, с целью установления их принадлежности к единой массе или источника (региона) произрастания конопли. При исследовании наркотических средств, изготавливаемых из мака, определяются опийные алкалоиды: морфин, кодеин, папаверин и др. Качественное содержание указанных выше наркотических опийных алкалоидов и их соотношение варьируется в зависимости от геоэкологических условий произрастания мака. Метод газовой хроматографии позволяет анализировать спиртные напитки, определять наличие и количество содержащихся в них микропримесей для установления типа, вида напитка, факта его фальсификации, принадлежности к одной партии выпуска.

При анализе спиртных напитков учитывается содержание в них сахаров. Поскольку сахара нелетуч, перед хроматографированием их посредством специально подобранных реактивов переводят в летучие триметиксилильные эфиры. Наличие сахаров определяется по хроматограмме этих эфиров. Столовые и игристые вина различаются содержанием этилацетата, а сухие и полусладкие— содержанием высших спиртов. Виноградные десертные вина отличаются от плодово-ягодных тоже по содержанию высших спиртов. Этих веществ в коньяке в 2-3 раза больше, чем в водке и роме. В нем больше и этилацетата. Водку и ром можно дифференцировать по содержанию изоамилового спирта, которого в водке значительно меньше. Микропримеси позволяют отличить водку, изготовленную промышленным способом, от разбавленного водой спирта той же крепости, а также от самогона, в котором, как правило, более высокое содержание метанола и высших спиртов. Наличие выявленных при анализе микропримесей позволяет отнести исследуемый напиток к определенному типу (сухие, полусладкие и другие вина, водка, ром и т.д.), а также установить факт его фальсификации. Иногда объектом рассматриваемого анализа является воск. Такое исследование может проводиться с целью установления фальсификации пчелиного воска путем добавления к нему воска минерального (парафина, церезина, озокерита). Установлено, что в составе пчелиного воска наряду со сложными эфирами и свободными жирными кислотами входят Н-углеводороды только с нечетным числом атомов углерода, с преобладанием гептакозана (С27), в то время как в озокерите преобладают Н-углеводороды с четным числом атомов углерода. В парафине наблюдается значительное количество пентакозана (C2s); в церезине содержание гекса-, гента-, окта- и нона-козанов находится почти на одном уровне [3].

Таким образом, газовый хроматографический анализ позволяет по углеводородному составу пробы определить наличие в натуральном воске минерального либо отсутствие натурального воска в смеси, где согласно существующим стандартам он должен быть, например, в товарах бытовой химии (креме для обуви, мастике для пола и др.). Методом газовой хроматографии в ряде случаев исследуются табак и табачные изделия. В табаке, прошедшем технологическую обработку (ферментацию), определяются никотин (основной пик) и сопутствующие ему другие алкалоиды — норникотин, анабазин, анатабин.

В экстрактах табака можно установить до 20 различных алкалоидов. Относительное содержание никотина и сопутствующих ему алкалоидов зависит от вида табака, геоэкологических условий его произрастания, условий ферментации и других факторов. В табачных изделиях,- изготавливаемых из смеси различных табаков, содержание никотина определяет товарную сортность изделия. Однако некоторый разброс в содержании никотина наблюдается и в однородных изделиях, произведенных различными фабриками либо одной фабрикой, но в разные периоды времени.

Таким образом, проводя сравнительное исследование табаков и табачных изделий по количественному содержанию никотина, можно установить их принадлежность к группе относительно малого объёма.

ЖИДКОСТНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

В криминалистике широкое применение получили две разновидности жидкостной хроматографии— хроматография в тонких слоях сорбента (тонкослойная хроматография) и хроматография на бумаге (бумажная хроматография). Для жидкостной хроматографии характерно перемещение посредством жидкого носителя (элюента) компонентов анализируемого вещества в тонком слое сорбента. В процессе анализа исследуемое вещество в виде небольшого пятна помещается неподалеку от края бумажного листа или пластинки, покрытой слоем сорбента, которые погружаются в растворитель. Последний, впитываясь в сорбент, захватывает компоненты анализируемого вещества, которые вместе с ним перемещаются, причем с разными скоростями, зависящими от их способности к адсорбции. Вещества, слабее удерживаемые сорбентом, перемещаются с большей скоростью. В результате компоненты оседают на различных участках бумаги или слоя сорбента, образуя скопления в виде пятен с максимальной концентрацией соответствующих компонентов в центрах скоплений. Компоненты исследуемого вещества, образовавшие скопления, устанавливаются затем аналитическими методами: визуально — по цвету пятен или цвету их люминесценции, в ультрафиолетовых лучах, химическими реакциями и т.д. Для характеристики определяемых компонентов используют величину пройденного тем или иным компонентом расстояния — от линии старта до места локализации (длину пробега). Используется относительный показатель длины пробега, то есть число, полученное в результате деления расстояния, пройденного данным компонентом, на общее расстояние, пройденное растворителем. Используют также величину, выражающую подвижность исследуемого вещества по отношению к подвижности заведомо известного вещества, использованного в качестве эталона в тех же условиях анализа. Совпадение числа пятен, их окраски и значений вышеуказанных величин указывает на идентичность исследуемого вещества с соответствующим эталоном известного состава. Для того чтобы исключить возможность случайного совпадения (в особенности, когда вещество на хроматограмме проявилось одним пятном), проводят неоднократное хроматографическое разделение с использованием разных растворителей. Приблизительная количественная оценка компонентов анализируемой пробы достигается путем визуального сравнения исследуемого пятна с эталонным, образованным веществом с известной концентрацией в тех же условиях анализа. Более точный количественный анализ производится путем измерения оптической плотности или интенсивности люминесценции вещества пятен (рис.2).

Рис.2. Схема современного жидкостного хроматографа

1,2 - сосуды с элюентами; 3, 4 - насосы; 5 контроллер;

6 - смесительная камера; 7 - инжектор; 8 - колонка; 9 - детектор;

10 - регистратор; 11 - блок автоматической обработки результатов анализа; 12 — коллектор фракций; 13- термостат

Тонкослойная хроматография (рис.3).

Рис.3. Тонкослойная хроматография

а-а: линия старта; б-б: линия фронта растворителя

Исследование данным методом производится с использованием пластинки, покрытой тонким слоем твердого сорбента. В зависимости от направления движения растворителя по слою сорбента тонкослойная хроматография подразделяется на восходящую, нисходящую и горизонтальную, о чем подробнее говорится далее применительно к бумажной хроматографии.

Возможности исследования различных криминалистических объектов. Методом тонкослойной хроматографии исследуются в основном нижеследующие объекты. Красители текстильных материалов. Задачами их исследования являются главным образом следующие: а) разделение красителей, применяемых при смесовом крашении; б) выделение красителя в химически чистом состоянии для анализа его другими методами; в) выявление технологических примесей в исследуемом красителе; г) установление конкретной марки красителя (при наличии эталонного образца, то есть красителя-тестера); д) установление принадлежности к одной марке красителей двух и более текстильных изделий, например, найденного на месте происшествия или обнаруженного у подозреваемого. При исследовании данных объектов применяются различные частные методики рассматриваемого анализа. Ввиду значительного числа классов красителей (20), групп внутри классов (до 8) и огромного количества марок (более 6000) возникает потребность в использовании для анализа красителей нескольких сотен систем растворителей. Красители паст для шариковых ручек. Данный метод позволяет дифференцировать одноцветные штрихи, определять класс, марку красителя. Чувствительность метода такова, что класс красителя устанавливается при наличии 10" г пасты, что соответствует штриху протяженностью примерно 1,2 мм, а марка красителя — при наличии всего около 5-10"6 г пасты. В связи с простотой и быстротой исследования этим методом с него начинается любое сравнительное исследование паст. Обнаружение признаков различия делает ненужным применение других, более сложных методов. Красители паст имеют смесевой состав, включающий технологические примеси, иные компоненты.

В процессе исследования принимаются во внимание количество пятен на сорбенте, их цвет, форма, цвет и интенсивность люминесценции в ультрафиолетовых лучах (во влажном состоянии и после сушки), определяется относительная величина пробега, производится сравнение данной хроматограммы с хроматограммами паст известного состава, полученными в аналогичных условиях (рис.4).

Рис.4.Зависимость площади пятен на хроматограмме от количества вещества: а- хроматограмма, б- калибровочный график

Красители чернил. Путем исследования данным методом чернильного штриха площадью 1 мм2 можно: а) установить наличие в чернилах красителя определенного вида и других входящих в чернила веществ; б) дифференцировать красители одного цвета, но разного строения; в) выявить технологические и иные случайные примеси в красителях. Растительные масла. Данный метод позволяет определить природу растительного масла, образовавшего пятно на вещественном доказательстве (подсолнечное, соевое, горчичное, пальмовое, льняное, хлопковое, оливковое и т.д.). Компоненты исследуемого вещества определяются путем обработки полученных на хроматограмме пятен парами йода, 10%-ным спиртовым раствором фосфорномолибденовой кислоты с предварительным исследованием в ультрафиолетовых лучах. Масла разных видов отличаются друг от друга числом пятен-фракций на хроматограмме и величиной относительного пробега. Так, например, горчичное, соевое масла образуют на хроматограмме 3 фракции, льняное— 5, оливковое, хлопковое, пальмоядровое — 6, подсолнечное — 7, касторовое — 8.Для определения положения фракции триглицеридов (основной фракции любого растительного масла) хроматограмма исследуемого вещества сопоставляется с хроматограммами определенных григлицеридов[1].

Лекарственные препараты. Данным методом нередко исследуются фармацевтические препараты, в частности анальгетики, транквилизаторы, противокашлевые вещества. Вид препарата определяют по относительным величинам пробега в растительных растворах, а также по окраске пятна хроматограммы, возникшей в результате воздействия на него определенным реактивом. Так, например, седуксен и ноксирон выявляются по пятнам оранжевого цвета при обработке хроматограмм реактивом Драгендорфа.

Нефтепродукты и горюче-смазочные материалы. Анализ рассматриваемым методом данных объектов позволяет: а) установить принадлежность исследуемого вещества к нефтепродуктам; б) отнести обнаруженные нефтепродукты к определенной группе, обусловленной государственными промышленными стандартами; в) выявить технологические добавки (присадки, красители и др.), а также примеси, попавшие в нефтепродукты в процессе их хранения или транспортировки. Хроматограммы различных нефтепродуктов могут различаться цветом в результате их соответствующей обработки. Так, после обработки 20%-ным раствором пятихлористой сурьмы в четыреххлористом углероде хроматограмма бензина АИ-92 имеет пятна, окрашенные в синий цвет, в то время как на хррматограмме бензина А-76— в оливковый и коричневый цвета. Наиболее точный анализ осуществляется путем сравнения хроматограммы исследуемого вещества с хроматограммами бензинов определенных марок. Как известно, во все смазочные масла, используемые при эксплуатации автомобилей, входят присадки, придающие маслам антиокислительные, моющие, противовспенивающие и другие полезные свойства. Выявление тех или иных присадок позволяет устанавливать групповую принадлежность исследуемых масел. Наркотические средства. Анализ данным методом наркотических средств, изготовленных из конопли, позволяет с высокой точностью выявить компоненты этих наркотиков — каннабиноиды. Хроматографическому исследованию подвергаются экстракт анализируемого вещества и эталонный образец. Наиболее распространенным реагентом на каннабиноиды является раствор красителя «Прочного голубого Б», который образует соединение розового цвета при взаимодействии с каннабинолом, фиолетового — с тетрагидроканнабинолом и оранжевого (желтого) — с каннабидиолом. Приблизительное количественное определение выявленных каннабиноидных компонентов возможно визуально, а более точно — колориметрическим методом в сравнении с хроматограммой эталона с известным содержанием определяемых компонентов. Определяемый минимум каннабиноидов — 1-10'8 г. В зависимости от содержания каннабиноидов такое количество может содержаться в единичной растительной частице размером 5-10 мм. Опийные алкалоиды определяют путем исследования хроматограммы в ультрафиолетовых лучах, по цвету люминесценции пятен и обработки хроматограммы парами йода, а затем реактивом Драгендорфа[2].

Бумажная хроматография. Как уже отмечалось выше, в случае применения бумажной хроматографии разделение компонентов исследуемой пробы происходит не на тонком слое сорбента, а на специальной хроматографической бумаге. Имеется несколько разновидностей бумажной хроматографии (рис. 5).

Рис. 5. Виды бумажной хроматографии

Абсорбционная бумажная хроматография характеризуется тем, что используемая при исследовании бумага никакой предварительной обработке не подвергается. Распределительная бумажная хроматография отличается тем, что бумага предварительно пропитывается жидкостью, например водой. В этом случае разделение компонентов анализируемого вещества обусловлено двумя жидкостями: той, которой предварительно пропитана бумага, и растворителем- элюентом.

В ионообменной хроматографии бумага предварительно пропитывается ионообменными солями, а в осадочной хроматографии — веществами, которые дают с разделяемыми веществами малорастворимые соединения. По направлению движения растворителя относительно бумаги различают восходящую, нисходящую. В первом случае бумага опускается в растворитель, который поднимается снизу вверх под действием капиллярных сил. Во втором — растворитель протекает через бумагу сверху вниз под действием как капиллярных, так и гравитационных сил. В третьем случае растворитель перемещается по листу бумаги, находящемуся в горизонтальном положении. К достоинствам бумажной хроматографии относится высокая чувствительность, относительная простота анализа, возможность исследования очень малых количеств веществ.

Как научный метод познания окружающего нас мира хроматография постоянно развивается и совершенствуется. Сегодня она применяется столь часто и столь широко в научных исследованиях, медицине, молекулярной биологии, биохимии, технике и народном хозяйстве, что очень трудно найти область знаний, в которой бы хроматография не использовалась.

Хроматография как метод исследования с ее исключительными возможностями является мощным фактором познания и преобразования усложняющегося мира в интересах создания приемлемых условий обитания человека на нашей планете.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Айвазов Б.В. Введение в хроматографию. – М.: Высш.шк., 1983 – с. 8-18, 48-68, 88-233.

2. Крешков А.П. Основы аналитической химии. Теоретические основы. Качественный анализ, книга первая, изд.4-е, перераб. М., «Химия», 1976 – с. 119-125.

3. Сакодынский К.И., Орехов Б.И. Хроматография в науке и технике. – М.: Знание, 1982 – с. 3-20, 28-38, 58-59.

Код для цитирования: Скопировать