ГАЗОВАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

В газовой хроматографии (ГХ) в качестве ПФ используют газ, называемый газом-носителем. Обязательное условие для ГХ - перевод хроматографируемых веществ в газовую фазу. ГХ подразделяется на газоадсорбционную (ГАХ) и газожидкостную (ГЖХ). В ГАХ в качестве НФ используют твердый адсорбент, в ГЖХ - жидкость, тонким слоем нанесен­ную на поверхность какого-либо твердого носителя.

Таким образом, ГЖХ - один из вариантов распределительной хроматог­рафии. На практике ГЖХ используют чаще, чем ГАХ.

Анализ методом ГХ выполняют на газовом хроматографе, принципиаль­ная блок-схема которого приведена ниже:

 

 

1 - баллон с газом-носителем; 2 - дозатор; 3 - колонка; 4 - детектор;

5 - регистратор; 6 - вычислительный интегратор; 7-9 - термостаты.

Газ носитель из баллона 1 с постоянной скоростью пропускают через хроматогафическую систему. Пробу вводят в дозатор 2, который нагрет до температуры, необходимой для полного испарения хроматогафируемых веществ. Пары анализируемой смеси захватываются потоком газа носите­ля и поступают в хроматографическую колонку 3, температура которой поддерживается на требуемом уровне термостатом 8. В колонке анализи­руемая смесь делится на компоненты, которые поочередно поступают в детектор 4. Сигнал детектора фиксируется регистратором и обрабатыва­ется вычислительным интегратором или мини-ЭВМ.

Колонки. Хроматографическая колонка для аналитической ГХ представляет собой стальную, медную или стеклянную трубку внутренним диаметром 3-6 мм. Обычно используют колонки длиной 1-3 м, имеющих спиралевидную или U-образную форму.

Детекторы. Детектор служит для непрерывной фиксации зависимости концентрации или другого параметра на выходе из колонки от времени. Если фиксируется концентрация вещества, детектор называют концентрационным, если произведение концентрации на скорость потока - потоковым. Любой детектор характеризуется чувствительностью и линейной

связью измеряемой величины с возникающим сигналом.

Наиболее распространены следующие виды детекторов:

 

- по теплопроводности;

- ионизации пламени;

- электронному захвату.

 

Принцип действия детектора по теплопроводности (катарометр) осно­ван на измерении сопротивления спиралеобразной металлической нити (платина, вольфрам), которая включена в плечо моста Уинстона. Нагре­тая нить катарометра омывается потоком газа-носителя и имеет постоян­ное сопротивление. Сопротивление нагретой нити зависит от ее темпера­туры, а температура - от теплопроводности среды. При изменении состава газовой среды изменяется ее теплопроводность, что приводит к изменению температуры нити и, соответственно, ее сопротивления. Электрическое равновесие моста нарушается, а возникающая разность потенциалов регистрируется измерительным прибором. Катарометр очень прост и надежен в работе. Недостатком его является малая чувствитель­ность, вследствие чего его не применяют для определения микроприме­сей. Максимальная чувствительность катарометра достигается в случае использования гелия и водорода в качестве газа носителя, наиболее отличающихся по теплопроводности от анализируемых веществ.

В детекторе по ионизации пламени анализируемые вещества, выходя из колонки с током газа носителя, попадают в пламя водородной горелки. В ходе термической диссоциации соединения в пламени образуются ионы. Концентрация ионов прямо пропорциональна количеству углерода, входя­щего в состав молекулы. Концентрацию ионов определяют, измеряя проводимость пламени. Для этого в детекторе имеется анод и катод, между которыми накладывают высокое напряжение (до 300 в). Измеряя ионный ток, фиксируют прохождение через детектор зоны вещества. Детектор позволяет измерять до 1 нг углерода. Детектор по ионизации пламени чувствителен только к соединениям, ионизирующимися в пламени, т.е. к соединениям с С-С- и С-Н-связями, и нечувствителен к неоргани­ческим газам.

В детекторе по электронному захвату газ-носитель (азот) ионизиру­ется под воздействием потока частиц от радиоактивного источника. Концентрацию образующихся электронов измеряют с помощью системы электродов. При попадании в детектор вещества, захватывающего свобод­ные электроны, ток между электродами уменьшается пропорционально концентрации этого вещества. Особенно высока чувствительность детек­тора к соединениям, содержащим галогены и фосфор, а также к метал­лоорганическим соединениям. К углеводородам, спиртам, аминам и многим другим соединениям этот детектор нечувствителен.

Газ-носитель. Выбор газа-носителя зависит от типа применяемого детектора. При использовании катарометра и паменно-иони­зационного детектора применяют гелий, водород, азот; детектора по электронному захвату - азот.

Неподвижные твердые фазы. В газовой адсорбционной хроматографии в качестве НФ чаще всего используют силикагель, оксид алюминия, активные угли и молекулярные сита. В

современной аналитической ГХ эти сорбенты применяются гораздо реже, чем сорбенты с нанесенной жидкой фазой.

Неподвижные жидкие фазы. Известно несколько со­тен НФ для ГЖХ. Основным требованием к НФ является обеспечение желаемого разделения. Выбор НФ часто проводят эмпирически, руководс­твуясь информацией о свойствах соединений, присутствующих в пробе. Анализируемые вещества должны растворяться в НФ, иначе время удержи­вания будет очень малым и разделение не будет достигнуто. Как правило, неполярные вещества хроматографируют на неполярных углеводо­родах или силоксановых НФ. Для хроматографирования веществ, способных формировать водородные связи, а также для их селективного отделения от неполярных соединений применяют полярные НФ, например полиэтиленг­ликоли.

Для оценки и выбора НФ очень удобно классифицировать их по условной хроматографической полярности, для чего используют константы Мак-Рейнольдса, приводимые для подавляющего большинства НФ в справоч­никах по хроматографии. НФ с одинаковыми значениями констант Мак-Рей­нольдса обладают одинаковой разделительной способностью. Если необхо­дима НФ, селективно удерживающая один класс соединений относительно другого класса, тогда выбирают НФ с максимально различающимися значениями соответствующих констант.

Важная характеристика НФ - температурные пределы ее возможного использования. Нижнее значение соответствует температуре, при которой НФ сохраняет жидкое состояние. Верхним - температура начала заметного для данного детектора испарения НФ.

Носители неподвижных фаз. В ГЖХ НФ наносят на твердый носитель. Носитель должен обладать достаточной удельной поверхностью, механической прочностью, однородным распределением пор и размеров частиц, а также способностью смачиваться НФ. Весьма важны также отсутствие адсорбционной активности и химическая инертность, что достигается специальной обработкой носителя. Наиболее часто применяют носители на основе диатомита - осадочной породы, состоящей из панцирей диатомитовых водорослей. Кроме того, используют стеклянные микрошарики, силикагель, тефлон и некоторые другие материалы.

Для уменьшения вклада вихревой диффузии важной является равномер­ность заполнения колонки. Поэтому зерна носителя сортируют так, чтобы они имели приблизительно равные размеры в каждой фракции. Для обычных колонок диаметром 3-8 мм оптимален размер зерен носителя 0.15-0.3 мм.

Приготовление сорбента. Эффективность хрома­тографической колонки во многом зависит от количества нанесенной на носитель НФ. Количество НФ должно обеспечивать полное покрытие поверхности носителя. Большое количество НФ может привести к пониже­нию эффективности колонки и даже к склеиванию частиц сорбента. Количество НФ определяется конкретными задачами хроматографического разделения и в большинстве случаев лежит в пределах 5-30 % от массы носителя. Как правило, для высококипящих образцов применяют небольшие количества НФ (3-5 %), в то время как компоненты, кипящие в широком диапазоне температур, лучше всего разделять на сорбентах с большими концентрациями НФ и пр высоких температурах.

Для нанесения ПФ на носитель ее растворяют в легко испаряющемся растворителе и смешивают с носителем. После испарения растворителя колонку заполняют сорбентом, вводя его небольшими порциями, добиваясь плотной и равномерной набивки.

Программирование температуры. Как прави­ло, с уменьшением температуры разделение компонентов улучшается, однако одновременно увеличивается продолжительность анализа. Темпера­тура в колонке должна обеспечивать нахождение анализируемых компонен­тов в газовой фазе. Разделение смесей, кипящих в широком интервале температур, в изотермическом режиме весьма затруднительно. Компонен­ты, обладающие низким сродством к сорбенту, при высокой температуре быстро выйдут из колонки неразделенными, в то время как при низкой температуре компоненты с большим временем удерживания могут не выйти совсем. Для оптимизации анализа в этом случае часто применяют программирование температуры. В современных газовых хроматографах для этой цели служат специальные устройства (программаторы температуры), управляющие температурным режимом в колонке во время анализа. При хроматографировании сложной смеси часто применяют линейное програм­мирование: задают постоянную скорость возрастания температуры, напри­мер от 100 до 200 градусов со скоростью 2 град/мин. При низких температурах из колонки выходят зоны слабо сорбирующихся компонентов, за которыми следуют зоны веществ со все возрастающим сродством к сорбенту.

Капиллярная газовая хроматография. Представляет собой вариант ГХ, который значительно повысил эффективность разделения. В этом методе колонка представляет собой стеклянную или металлическую длинную капиллярную трубку диаметром 0.2-0.3 мм. На внутренние стенки капиллярной колонки наносят слой НФ. Вследствие значительного уменьшения сопротивления потоку газа возможно использо­вание колонок значительной длины (десятки метров). При увеличении толщины пленки НФ уменьшается эффективность, но увеличивается селек­тивность колонки, поэтому необходимо соблюдать оптимальное значение этой величины. Капиллярная колонка может иметь до миллиона теорети­ческих тарелок, что на 2-3 порядка превышает значения, характерные для обычных колонок. Столь высокая эффективность капиллярных колонок­ позволяет решать самые сложные аналитические задачи.