Назначение основных узлов и блоков

Для проведения газохроматографического анализа служит специальный прибор - газовый хроматограф (рис. 1).

Газоноситель из баллона высокого давления через редуктор поступает в систему подготовки газов (включающий регулятор давления, кран тонкой регулировки, фильтр для очистки газа от посторонних примесей и паров воды (1) предназначенную для установки, стабилизации и измерения скорости газа-носителя и газов, питающих некоторые детекторы. В процессе анализа важно

установить оптимальный расход газа-носителя, исключить колебаний расхода газов, так как эти факторы ухудшают воспроизводимость параметров регистрируемых пиков анализируемых веществ.

Дозирующее устройство (2) предназначено для ввода пробы. Обычно жидкую или газообразную пробу вводят с помощью шприца в поток газа-носителя непосредственно перед колонкой. В этом случае место ввода представляет собой небольшую ёмкость перед началом колонки, снабжённую каучуковой мембраной. При вводе пробы эту мембрану прокалывают, а через несколько сотен вводов заменяют. Практически одновременно с вводом жидкая проба переходит в газообразное состояние, чтобы она смешалась с потоком газа-носителя. Для этого дозатор нагревают до температуры, превышающей температуру колонки на несколько десятков градусов. В описаниях методик газохроматографического анализа присутствует параметр «температура испарителя». Для ввода проб используют специальные микрошприцы, позволяющие отмерять объём от до­лей микролитра до нескольких десятков микролитров. Разделение смеси на отдельные входящие в её состав компоненты проис­ходит в колонке (3). В ГЖХ используются три типа аналитических колонок - насадочные, микронасадочные и капиллярные. Насадочные колонки изготав­ливают из закрученных спиралью металлических, стеклянных или фторопластовых трубок с внутренним диаметром от 2 до 4 мм и длиной - 0, 5-3 м. Микронаса­дочные колонки отличаются только диаметром трубок - 0, 8-1, 0 мм и длиной 5-10 см. Наиболее популярны в настоящее время и удобны в работе стек­лянные колонки, так как металлические неустойчивы к коррозии, а с фторопла­стовыми колонками нельзя работать при температуре выше 90-100 °С.

Рис. 1. Принципиальная схема газового хроматографа: 1 - система подготовки газов; 2 - устройство для дозирования пробы; 3 - колонка; 4 -детектор; 5 - терморегулятор; 6 - блок питания детектора; 7 - усилитель; 8 - регистратор; 9 - интегратор или компьютеризованная система обработки сигнала детектора; 10 - измерители параметров режима анализа (расходов газов, температур, электрического питания детекторов).

Насадочная колонка заполнена твёрдым носителем. В газовой хромато­графии используют твёрдые носители, полученные на основе природных диато­мовых земель без предварительной обработки (хромасорб Р, инзинский и апрелевский кирпич), обладающие развитой удельной поверхностью и макропористой структурой. Основной составной частью диатомитов является диоксид кремния SiO₂, кроме него входят оксиды металлов алюминия, железа, титана, кальция, магния, калия, натрия, в различном процентном соотношении. Все твёрдые носители этой группы обладают высокой химической, каталитической и адсорбционной активностью, что ухудшает процесс разделения веществ на твёрдых носителях этой группы.

Большую группу составляют природные сорбенты, прошедшие предварительную обработку, необходимую для уменьшения абсолютной активности. В качестве обработки используют спекание природных диатомитов со специальными флюсами при 900 °С. К носителям этой группы относятся — хромосорб -W, -A, -G, целит-545, хроматон-N, порохромы, стерхамол-1 и др., их целесообразно использовать для анализа полярных соединений.

Понижению активности твёрдого носителя способствуют промывание его кислотой хлористоводородной (обозначение AW, NAW - не обработанные кислотой) и дезактивации поверхности силанами - силанизация (обозначение HMDS). При этом удаляются минеральные примеси, отделяются очень мелкие частицы, оксиды железа и алюминия превращаются в соответствующие соли. К этой группе неподвижных твёрдых фаз относятся хезасорбы, хромасорбы, хроматоны - NAW, AW, HMDS. Данная группа сорбентов применяется для разделения сильно полярных и неустойчивых соединений.

Полимерные твёрдые носители применяются главным образом для анализа относительно низкомолекулярных полярных соединений (вода, спирты, кислоты, амины). К этой группе относятся носители на основе тефлона (политетрафторэтилена): тефлон-6, хромосорб-Т, полихром-1.

Капиллярные колонки представляют собой металлический, стеклянный или кварцевый капилляр с внутренним диаметром 0, 25-0, 5 мм и длиной 10-50 м. Их отличительной особенностью является то что, неподвижная фаза нанесена в виде тонкой плёнки нелетучего вещества или тонкого слоя адсорбента и не заполняет всей внутренней полости, а лишь покрывает внутреннюю поверхность трубки. Поток газа проходит по такой колонке, не встречая значительного сопротивления, что позволяет при примерно одинаковом входном давлении газа-носителя использовать существенно более длинные колонки по сравнению с насадочными. Эффективность таких колонок весьма высока.

Широкое распространение получили кварцевые капиллярные колонки, имеющие внутренний диаметр 0, 05-0, 32 мм, толщину стенки 40-70 мкм. Кварцевые капилляры сочетают низкую остаточную адсорбционную активность с исключительно высокой механической прочностью на изгиб. Инертность и высокая эффективность кварцевых капиллярных колонок позволяют разделять

сложные смеси соединений, принадлежащих к различным классам, в том числе карбоновые кислоты, алифатические и ароматические амины.

Твёрдые носители должны обладать:

· значительной удельной поверхностью, позволяющей нанести жидкость в виде тонкой пленки и не допускающей ее перемещения;

· малой адсорбционной способностью по отношению к разделяемым веществам;

· химической инертностью и отсутствием каталитической активности;

· механической прочностью:

· способностью к равномерному заполнению колонки;

· термической стабильностью;

· смачиваемостью поверхности наносимой на неё жидкостью.

В газожидкостной хроматографии разделение происходит за счёт различ­ной растворимости компонентов смеси в плёнке неподвижной жидкой фазы. Выбор неподвижной фазы основывается на теории растворов и сведениях о физико-химических свойствах жидкой фазы и анализируемых веществ.

Разделение смеси веществ обеспечивается различием коэффициентов рас­пределения (К). Если смесь содержит вещества А и В, при КA < КB (где К = Сж/Сг где Сж - концентрация вещества в жидкой фазе, Сг - концентрация вещества в газовой фазе), то зона вещества А будет перемещаться с большей скоростью, чем зона вещества В, что и приведет к разделению веществ на выходе из колонки. В реальных условиях перемещение зоны вещества вдоль слоя сорбента осложня­ется различными видами диффузии. Это приводит к тому, что только центр зоны, соответствующий максимальной концентрации вещества, движется с постоянной скоростью. На других участках зоны молекулы вещества движутся с большей или меньшей скоростью; зона расширяется симметрично в обе стороны и на выходе из колонки фиксируется симметричный пик. Одновременно вещество в потоке газа-носителя продвигается вдоль неподвижного сорбента. При этом в системе многократно устанавливается состояние равновесия.

Разделительная способность колонки характеризуется селективностью и эф­фективностью её по отношению к разделяемым компонентам. Селективность за­висит от природы разделяемых веществ, неподвижной жидкой фазы (сорбента) и определяет относительное положение пиков компонентов смеси на хроматограмме. Высокая селективность колонки наблюдается при значительной разнице коэффи­циентов распределения разделяемых веществ. При этом максимумы хроматографических пиков достаточно удалены друг от друга. Эффективность колонки определя­ет расширение первоначально сжатой зоны (полосы) вещества по мере прохождения её через колонку. При низкой эффективности колонки полное разделение не дости­гается из-за сильного расширения пиков. Чем уже пик, тем эффективнее колонка.

Жидкая фаза селективная, если она обеспечивает разделение веществ, име­ющих одинаковые или близкие температуры кипения. Жидкие фазы, способные

обеспечить разделение веществ, близких не только по температурам кипения, но и по химическому строению, называют высокоселективными.

Неподвижные жидкие фазы (сорбенты) должны отвечать следующим требованиям:

· селективность;

· оптимальная сорбционная ёмкость;

· химическая инертность по отношению к твёрдому носителю, материалу колонки, газу-носителю и разделяемым веществам;

· низкое давление пара при рабочей температуре;

· химическая стабильность в условиях применения;

· малая вязкость;

· отсутствие примесей;

· доступность.

Энергия межмолекулярных взаимодействий анализируемых веществ с не­подвижной фазой складывается из энергии неспецифических межмолекулярных взаимодействий, обусловленных физическими силами, и специфических элект-ронодонорных и электроноакцепторных взаимодействий, имеющих химическую природу. Величина энергии физических сил взаимодействия молекул зависит от их статической поляризуемости, потенциалов ионизации и дипольных момен­тов взаимодействующих веществ.

Одним из важнейших свойств жидкой фазы является её полярность. Поляр­ность неподвижной жидкой фазы следует рассматривать как способность жид­кой фазы к различным видам межмолекулярных взаимодействий. Поэтому, для оценки полярности выбирают несколько (например: 5) соединений, моделиру­ющих возможные типы межмолекулярных взаимодействий, определяют пара­метры удерживания этих веществ и рассчитывают полярность исследуемых сор­бентов (например: система Роршнейдера-Мак-Рейнольдса).

Относительная полярность β, β '-оксипропионитрила условно принята за 100, а сквалана (неразветвлённый углеводород) - за ноль. Одними из наиболее распространённых неполярных неподвижных фаз являются полидиметилсиликоны (SE-30, OV-1, OV-101, SP-2100), вазелиновое масло, парафины; фазы со средней полярностью: реоплекс-400 (полиизопропиленгликольадипинат), 678, силоксан Е; фазы с высокой полярностью: полиэтиленгликоли (карбоваксы) с раз­личными молекулярными массами (300, 600, 1000, 1500, 4000, 20000), полиэтиленгликольадипинат (лак-111-806), полиэтиленгликольтетрахлорфталат (8R-772) и др. С увеличением полярности жидкой фазы будет возрастать время удержи­вания полярных соединений и, наоборот, для неполярных соединений время удерживания возрастает с уменьшением полярности жидкой фазы.

Наиболее общее правило при выборе неподвижной жидкой фазы для анализа ряда веществ это - полярные соединения разделяют на полярных колонках, а не­полярные - на неполярных, что позволяет обеспечить наиболее полное разделе­ние и симметричность хроматографических пиков.

Хроматографическая колонка помещена в термостат, температура в кото­ром поддерживается с точностью до 0, 05-0, 5 °С. Основным параметром среди условий хроматографического анализа является «температура колонки», темпе­ратура воздуха, циркулирующего в термостате. Если в ходе всего хроматогра­фического анализа температура колонки не меняется, такой режим разделения называется изотермическим. Однако для разделения смесей с широким интер­валом температур кипения компонентов необходимо повышение температуры хроматографической колонки в процессе анализа. В таком случае используют так называемый режим разделения с программированием температуры.

Разделенные компоненты с потоком газа-носителя попадают в детектор (4), который преобразует возникающие изменения физико-химических свойств сис­тем газоноситель: компонент (по сравнению с чистым газом-носителем) в элект­рический сигнал. Детектор представляет собой устройство, предназначенное для обнаружения и количественного определения, выходящих из колонки в потоке газа-носителя компонентов анализируемой смеси. Величина сигнала зависит от природы компонента и от его содержания в анализируемой смеси.

Для газовой хроматографии предложено около 50 детекторов, но наиболь­шее распространение в силу универсальности и высоких эксплуатационных ка­честв получили пламенно-ионизационный детектор и детектор по теплопровод­ности. Кроме того, широко используются селективные детекторы, позволяющие определять в сложных смесях только соединения определенного состава (детек­торы электронного захвата, термоионные, пламенно-фотометрические).

Принцип действия детектора по теплопроводности (катарометра) осно­ван на изменении температуры надетых нитей (чувствительных элементов) в зависимости от теплопроводности окружающего газа, которая в свою очередь определяется его составом. Поэтому наибольшая чувствительность может быть получена в том случае, когда теплопроводность анализируемой смеси газоноси­тель / вещество возможно больше отличается от теплопроводности чистого газа-носителя. Так как теплопроводность большинства органических соединений низ­кая, то для их анализа используют газы с высокой теплопроводностью - водород и гелий. Водород используется значительно реже ввиду его взрывоопасности.

Для получения дифференциального сигнала через одну из камер катаро­метра - измерительную, проходит газ с анализируемым веществом, выходящий из хроматографической колонки, через другую - сравнительную, чистый газо­носитель. Изменение условий теплообмена чувствительного элемента в изме­рительной камере относительно камеры сравнения приводит к изменению со­противления и возникновению электрического сигнала.

Катарометр - простой и надежный в работе детектор. Однако из-за недо­статочной чувствительности не применяется для определения микропримесей и не применяется при работе с водными растворами.

Ионизационные методы детектирования обеспечивают наибольшую чувстви­тельность и широко применяются для определения малых количеств анализируемого вещества. В основе его лежит зависимость электропроводности

ионизированной газовой среды от её состава. Сигналом является изменение ионного тока, вызванное введением его в детектор анализируемого вещества. «Ионный» ток возникает в детекторе под действием какого-либо источника ионизации (радиоактивного изотопа, пламени, разряда, фотоионизации, электронной или ионной эмиссии) и электрического поля между электродами детектора. В ионизационном детекторе создаются такие условия, при которых либо плотность (концентрация) заряженных частиц, либо скорость переноса их в электрическое поле зависит от состава газа.

Наиболее популярным является пламенно-ионизационный детектор (ДИП). К преимуществам этого детектора относят высокую чувствительность к органическим соединениям, широкий линейный диапазон, сравнительно малую зависимость рабочих параметров от конструкции и внешних условий, безынерционность и отсутствие жёстких требований к стабильности электрического питания. Основу действия детектора составляет регистрация изменений «ионного» тока, возникающего в результате ионизации анализируемых веществ в пламени водорода; ток насыщения возрастает пропорционально количеству вещества, поступающего в детектор. Механизм ионообразования связан с термодеструкцией (окислением) молекул и последующий хемиионизацией.

Детектор представляет собой камеру, в которой поддерживается водородное пламя, являющееся источником ионизации. В камеру вводятся необходимые для поддержания пламени водород и воздух. Горелка является одним из электродов, она изолирована от корпуса детектора и соединена с источником стабилизированного напряжения. Второй электрод, называемый часто коллектором, расположен над горелкой. Во внешнюю цепь электрода детектора включён электрометр, измеряющий ток между электродами детектора.

Механизм ионообразования объясняет пониженную чувствительность этого детектора к соединениям, содержащим уже окисленные атомы углерода, и низкую или вообще отсутствующую чувствительность к соединениям, содержащим только окисленные атомы углерода, а также к воздуху, инертным газам, оксидам серы, углерода, оксидам азота, парам воды и к ряду других неорганических соединений.

Детектор электронного захвата (ДЭЗ) получил широкое распространение в связи с необходимостью измерения весьма малых количеств хлорсодержащих пестицидов в продуктах растительного происхождения. Он успешно применяется для определения малых концентраций галоген-, кислород - и азотсодержащих веществ, некоторых металлорганических соединений и других веществ, содержащих атомы с явно выраженным сродством к электрону. Система детектирования по захвату электронов включает ионизационную камеру (ячейку) детектора и источник поляризующего напряжения (блок питания). Для работы детектора необходимо, прежде всего, обеспечить постоянную скорость образования свободных электронов в ионизационной камере, что достигается помещением в неё радиоактивного источника. В качестве газа-носителя исполь­

зуются азот, аргон, гелий и другие электронно-донорные газы, способные иони­зироваться под воздействием радиации с освобождением электронов. ДЭЗ об­ладает высокой чувствительностью и позволяет фиксировать нано- и пикограммовые количества вещества.

Термоионный детектор (ГИД), в настоящее время, является одним из наи­более высокочувствительным и селективным детектором на фосфор- и азот- орга­нические вещества. Действие ТИД основано на увеличении ионизации солей щелочных металлов в пламени водорода при попадании в него элементорганических соединений. При введении нейтральных молекул соли щелочного метал­ла в пламя водорода происходит их ионизация, в результате чего наблюдается резкое увеличение фонового тока. Анализируемая молекула в пламени водорода разрушается с образованием радикалов с гетероатомами, взаимодействие кото­рых с заряженными комплексами солей щелочных металлов приводит к резкому увеличению скорости образования ионов, что в итоге вызывает дополнительное образование ионов элементорганических соединений. ТИД проявляет довольно высокую чувствительность и селективность определения соединений фосфора, азота, мышьяка, олова и серы.

Пламенно-фотометрический детектор (ПФД) также является селективным на фосфор- и серосодержащие вещества. Принцип его действия основан на из­мерении свечения водородного пламени, при сгорании в нем фосфор- и серосо­держащих соединений. Различие условий сжигания в ПФД и ПИД состоит в том, что в ПФД пламя обогащено водородом, в то время как в ПИД оно обогащено кислородом. Процессы, протекающие при сжигании серо- и фосфорсодержа­щих веществ ещё полностью не исследованы.

Фотоионизационный детектор (ФИД) относится к высокочувствительным детекторам универсального назначения с регулируемой селективностью. Прин­цип действия ФИД заключается в ионизации молекул элюируемых из хроматографической колонки веществ под действием вакуумного УФ-излучения и изме­рении возникающего ионного тока. Возможность регулирования селективности отклика ФИД при использовании ламп с различными энергиями УФ-облучения открывает широкие возможности применения этих детекторов в качественном групповом газохроматографическом анализе. Детектор обладает высокой чув­ствительностью к ряду неорганических и органических веществ (10-7), что обус­лавливает всё возрастающее использование этих детекторов.

Детекторы подразделяются на:

1) универсальные и селективные. Селективные детекторы позволяют оп­ределить в образце только соединения определенного состава. К таким детекто­рам относятся электронозахватный, термоионный, пламенно-фотометрический, использование которых позволяет быстро и с высокой чувствительностью выявлять компоненты, но только определённого состава. Универсальные детекто­ры позволяют определять соединения более разнообразной химической приро­ды, что необходимо при определении полного состава смеси, содержащей ком­поненты различного строения;

2) интегральные и дифференциальные. Обычно используют дифференциальные детекторы, которые измеряют мгновенную концентрацию или массовую скорость вещества в потоке газа-носителя. Хроматограммы, полученные с та­ким детектором, представляют собой ряд пиков, причём количество каждого компонента пропорционально площади соответствующего пика;

3) деструктивные и недеструктивные. При взаимодействии молекул анализируемого вещества с чувствительным элементом детектора происходит процесс разрушения вещества и дальнейшая повторная регистрация невозможна. Либо же в результате регистрации возможен повторный анализ пробы;

4) потоковые и концентрационные. Если остановить поток газа-носителя в момент детектирования вещества и сигнал детектора с течением времени будет уменьшаться, так как процесс регистрации уменьшает количество вещества, то такой детектор называется потоковым. Если же сигнал детектора остается постоянным как угодно долго, поскольку вещество не расходуется, то такой детектор называется концентрационным. Для потокового детектора площадь пика компонента не зависит от скорости пропускания подвижной фазы и определяется только количеством вещества, а для концентрационного детектора - обратно пропорциональна скорости газа носителя. Таким образом, для количественного определения более предпочтительными являются потоковые детекторы, так как их показания не зависят от колебаний давления и расхода газа-носителя. Типичным примером потокового детектора является ионизационно-пламенный детектор, а концентрационного - катарометр.

Электрический сигнал, возникший в детекторе при прохождении через него анализируемой пробы, усиливается в усилителе и записывается в виде хроматографических пиков на экране компьютера (9).