Основы газовой хроматографии

Основы газовой хроматографии

Газовая хроматография  – метод разделения летучих соединений, основанный на распределении вещества между двумя фазами: одна из которых  является неподвижной, с большой  поверхностью, а другая – газ, протекающий  через неподвижную фазу.

Первая работа по хроматографии  была опубликована русским ученым Цветом в 1903 году.  В следующем году Цвет получил на хроматографической колонке  отдельные цветные полосы растительных пигментов, в связи с этим он ввел термин «хроматография», что значило «запись цвета». В настоящее время хроматорграфически выполняется около 50 % анализов самых различных продуктов.

Определения, применяемые  в газовой хроматографии:

Газовая хроматография – хроматографический метод, в котором подвижной фазой является газ.

Газожидкостная хроматография – газохроматографический метод, в котором неподвижной фазой является жидкость, нанесённая на твёрдый носитель.

Газоадсорбционная хроматография – газохроматографический метод, в котором неподвижной фазой является твёрдое тело.

Жидкая фаза – вещество, которое при температуре колонки является практически нелетучей жидкость и нанесено на твёрдый носитель.

Твердый носитель – обычно инертное твёрдое тело, на которое нанесена неподвижная фаза.

Ширина пика на половине высоты – длина отрезка, соединяющего 2 точки пика, находящиеся на половине высоты пика от его основания ЕМ.

Время удерживания (TR) – интервал времени между моментами ввода пробы и выхода максимума пика одного компонента, выраженный в минутах ОД.

Удерживаемый объём (VR) – объем газа-носителя, прошедшего сквозь колонку, за время между моментами ввода пробы и выхода из колонки одного компонента, выраженный в единице объёма. ОД.

VR = TR · F, где F – скорость потока газа-носителя.

Основные принципы газохроматографического разделения

Необычайно высокие  темпы развития хроматографии и  непрерывное её совершенствование  объясняется следующими причинами:

1. сравнительная простота аппаратного оформления;
2. широкие границы применения. В настоящее время с помощью газовой хроматографии можно выполнять количественное и качественное определение компонентов смесей любых органических и неорганических жидкостей, газов и твёрдых тел, на разлагающихся при температуре до 400 – 500ºC, или которые можно превратить в летучие производные.
3. возможность разделения и количественного определения с высокой точностью микрокомпонентов смесей компонентов (миллионные доли грамма), не поддающихся исследованию никакими другими известными физико-химическими методами.
4. быстрота выполнения анализа. Весь цикл газохроматографического разделения может осуществляться за минуты или даже секунды.
5. метод газовой хроматографии хорошо поддаётся автоматизации. В лабораториях десятки хроматографов связывают со специализированными ЭВМ для оперативного контроля и управления производственными процессами.

В настоящее время  газовая хроматография применяется  не только в химии, но и в геологии, медицине, биологии, криминалистике и  освоении космического пространства. Разделение компонентов смеси происходит в разделительной колонке. Исследуемую  смесь вводят непосредственно в поток газа-носителя у входа в разделительную колонку, заполненную сорбентом (например, глицерин на огнеупорном кирпиче). При прохождении смеси через колонку в потоке газа-носителя проходит разделение её компонентов. Некоторые компоненты проходят через колонку, не удерживаясь в ней, другие могут быть полностью адсорбированы (то есть поглощены), а третьи распределяются между сорбентом и газом-носителем и благодаря этому отделяются от других присутствующих в смеси компонентов по мере прохождения через колонку. Иногда два разных компонента в одинаковой смеси удерживаются колонкой  и вместе выходят из неё не разделяясь. Вначале из колонки в потоке газа-носителя выходят все компоненты пробы, которые не удерживаются колонкой, а затем по очереди – компоненты, разделённые в процессе прохождения смеси через колонку. Присутствие компонентов пробы в потоке газа-носителя регистрируется детектором, который реагирует на изменения какого-либо из свойств газа-носителя, например, теплопроводности. Сигнал детектора преобразуют в электрические сигналы, которые регистрируются самописцем. Величина сигнала (пика) зависит от концентрации компонента в исследуемой смеси.

Принципиальная схема, основные узлы газового хроматографа.

Основными элементами для любого хроматографа является: поток газа-носителя, устройство для ввода пробы, хроматографическая колонка, детектор и регистрирующее устройство (самописец). 

Система подготовки газов – предназначена для установки, стабилизации и измерения скорости потоков газа-носителя и вспомогательных газов, а также для очистки газов. Колебания расходов газов влияет на чувствительность нулевой линии.

Для установки стабилизации газовых  потоков используется дроссель, регулятор давления и регулятор расхода. Очистка газовых потоков от пыли, влаги и органических соединений выполняется с помощью фильтров, заполненных силикагелем, углём или молекулярными ситами. Чистота газов особенно важна при работе с ионизационными детекторами, где примеси могут сказаться причиной искажения нулевой линии.

Измерение величин газовых потоков  производится с помощью мыльно-плёночных  измерителей. Плёночный измеритель не может быть встроен в хроматограф, он обеспечивает лишь периодическое  измерение расхода на выходе из колонки  или из детектора. Герметичность газовой схемы проверяют по отсутствию уменьшения давления в линии, закрытой на входе и выходе. Места утечки находят по образованию пузырьков газа при нанесении мыльного раствора и устраняют подтягиванием соответствующих соединений.

Установка, стабилизация и очистка всех газовых оттоков выполняются блоками подготовки газов БПГ.

Дозирующие устройства (дозаторы) – предназначены для введения в хроматографическую колонку определенного количества анализируемой смеси (пробы). При введении пробы должны выполняться следующие требования:

1. Состав пробы, введенной в колонку, должен быть идентичен составу анализируемой смеси. Нарушение идентичности состава пробы и анализируемой смеси может быть вызвано несколькими причинами. Например: наличием в дозаторе непродуваемых («мёртвых») объемов, потерей части пробы при введении её в колонку и другие.
2. При многократном введении одной и той же пробы в постоянных условиях величина пробы должна изменяться лишь незначительно в заданных пределах (обычно – 1-3%), то есть величина пробы должна воспроизводиться. Изменение величины пробы может произойти из-за недостатков конструкции дозирующего устройства, непостоянства условий дозирования и субъективной ошибки лаборанта.
3. При введении пробы её размывание и разбавление газа-носителя должно быть минимальным.
4. Введение пробы не должно вызывать изменения установившегося режима работы систем хроматографа (зашкаливания нулевой линии в момент введения, резкого изменения давления газа-носителя, температуры дозатора). Такие явления наблюдаются, при разгерметизации системы при введении пробы, введении слишком большой пробы, изменении сопротивления линии газа-носителя при вводе пробы.
5. Величина пробы выбирается с учётом чувствительности детектора ограничение минимальной величины пробы и чтобы не вызвать перегрузки колонки (ограничение максимальной величины).

Для дозирования газообразных смесей используется газовые краны – дозаторы, имеющие калибровочную дозировочную петлю (дозу), предварительно заполненную анализируемой смесью. При вводе пробы объем её, заключённый в дозировочной петле (доза), в виде газовой «пробки» потоком газа-носителя переносится в хроматографическую колонку. В зависимости от конструкции газовые краны-дозаторы подразделяются на поворотные и штоковые. Такие же краны применяются и для обратной продувки. Введение жидких смесей в колонку производят с помощью специальных шприцев через термостойкое резиновое уплотнение испарителя. Испаритель хроматографа – это нагреваемый до определённой температуры, металлический блок с каналом для ввода и испарения жидкой пробы. В канал подаётся поток предварительно нагретого газа-носителя. С одной стороны канал закрыт пробкой из термостойкой резины, с другой стороны канала присоединена хроматографическая колонка. Игла шприца с анализируемой жидкостью вводятся в термостойкое уплотнение в канал испарителя, введенная проба быстро испаряется и переносится потоком газа-носителя в колонку. Обычно температура испарителя равной или на 30-50ºC выше температуры кипения наиболее высококипящего компонента, чтобы обеспечить более быстрое испарение. При высоких (более 300ºC) температурах термостойкое резиновое уплотнение канала испарителя постепенно теряет эластичность, нарушается герметичность испарителя. Для предотвращения этого явления обычно принимают меры для охлаждения «головки» испарителя (подвод воздуха, азота для охлаждения). Попадания резиновой крошки в канал испарителя приводит к увеличению «хвостов» пиков. В испаритель жидкие пробы вводят специальным микрошприцами, позволяющими вводить пробы от 0,05 до 50 мкл. Наиболее распространены стеклянные микрошприцы на 1 и 10 мкл. В качестве поршня в них используются калибровочная проволка из вольфрама или нержавеющей стали.  В шприцах МШ-1  дозируемый  объём заключён  в самой игле.  В МШ-10 дозируемый объём жидкости заключён в стеклянный калиброванный цилиндр, на котором нанесена шкала в микролитрах. Недостатки такого шприца являются относительно большой объём игл (до 2 мкл). Часть жидкости находящаяся в игле, не выдавливается из шприцы при полном введении поршня в цилиндр, но частично испаряется при введении иглы в испаритель. Количество извлекаемой из иглы жидкости зависит от глубины ввода и продолжительности пребывания иглы в испарители и может явиться причиной невоспроизводимости величины пробы.

Хроматографические колонки. Существует три основных типа анализируемых колонок – насадочные (набивные), микронасадочные и капиллярные. Для анализов в лабораториях наиболее часто применяются насадочные колонки. Согласно ГОСТ 16285-70 насадочная колонка – это разделительная колонка; внутренняя полость которой заполняется инертным твёрдым носителем, покрытым тонкой плёнкой неподвижной жидкости, или твёрдым активным веществом (адсорбентом). Эти колонки изготавливают из металлических (нержавеющая сталь) или стеклянных трубок с внутренним диаметром 2 – 4мм и длиной от 0,5 до 15 метров которым придаётся спиральная или U-образная форма. Микронасадочные колонки отличаются от насадочных только диаметром трубок, равным 0,8 – 1мм и длинной до 200 метров. Неподвижная фаза в виде тонкой плёнки жидкости покрывает в них лишь стенки внутренней поверхности, не заполняя всю внутреннюю полость. Для поддержания постоянной температуры анализа колонку помещают в термостат хроматографа, где поддерживается температура, необходимая для данного анализа.

Твёрдые носители в  газовой хроматографии и требования к ним.

Заполняют насадочные колонки  сорбентом, который представляет собой  твердый носитель с нанесённой на него жидкой фазой.

Твёрдый носитель должен удерживать неподвижную фазу на своей поверхности в виде тонкой плёнки и создавать хорошие условия для соприкосновения газовой фазы с жидкой. Для этого твёрдый носитель должен удовлетворять требования:

1. быть химически инертным материалом;
2. иметь низкую адсорбционную активность (слабо сорбировать);
3. иметь высокую термическую стабильность (300 – 350ºC);
4. иметь высокую механическую прочность, не разлагаться при заполнении колонок;
5. иметь высокую удельную поверхность. Удельная поверхность – площадь внутренней поверхности пор, приходящаяся на единицу массы или объёма носителя;
6. иметь близкие размеры частиц (монодисперсную структуру). Для этого отсеивают на специальных ситах нужные фракции носителя, например, 0,16 – 0,25мм, 0,25 – 0,5мм;
7. гранулы носителя должны иметь сферическую форму;
8. носитель должен быть сыпучим, не электризоваться и не слеживаться;
9. поверхность её должна хорошо смачиваться;
10. носитель должен иметь воспроизводимые стандартные свойства.

Наиболее широко применяются  для изготовления твёрдых носителей  в газово-жидкостной хроматографии природные диатомиты (диатомитовый или огнеупорный кирпич). Они наиболее полно удовлетворяют всем требованиям к носителям. Диатомиты состоят из остатков простейших одноклеточных организмов, которые имеют пористую структуру. Огнеупорный кирпич, применяемый в лабораториях для анализа, приготовляют из природного диатомита путём прокаливания при 900ºC, он розового цвета. Если диатомит прокаливают со щелочными добавками (2 – 5%), то получают носитель белого цвета, имеющий другие свойства. К таким носителем относится парохром, динохром II. Кроме диатомитовых в газовой хроматографии в качестве носителей могут использоваться силикагель, стеклянные шарики, полимерные материалы (например, полихром). Для анализа подбирают такой носитель, который лучше удовлетворяет условиям разделения.

Неподвижные фазы.

Для хорошего разделения компонентов в смеси важно  правильно подобрать жидкую фазу.

Требования к жидкой фазе:

1. она должна быть хорошим растворителем для компонентов смеси если компоненты растворяются в ней мало, то компоненты выходят быстро и разделение плохое;
2. должна избирательно растворять компоненты пробы (за счёт этого компоненты имеют разное время удерживания);
3. иметь малую летучесть. Основной причиной ухудшения свойств колонки является унос из неё жидкой фазы. Если фаза имеет большую летучесть, то приходится часто менять сорбент.
4. жидкая фаза должна иметь термическую стабильность;
5. быть химически инертной при температуре колонки к компонентам смеси.

Всего применяется для  различных анализов несколько тысяч  жидких фаз. Наиболее широко применяются: вазелиновое масло, эфир триэтиленгликоля и нормальной масляной кислоты, тетрабутират пентаэритрита, различные полиэтиленгликоли (ПЭГ – 1500, ПЭГ – 20М), глицерин и другие. Неподвижной жидкой фазой равномерно покрывают частицы твёрдого носителя. Для нанесения жидкой фазы на носитель, её растворяют в подходящем растворителе (например, ацетон, спирт), полученным раствором заливают твёрдый носитель и при перемешивании испаряют растворитель. Количество нанесённой жидкой фазы указывают в процентах. Например, «15% вазелинового масла на кирпиче» - означает, что 15 грамм вазелинового масла нанесено на 100гр кирпича. Чем больше нанесено жидкой фазы, тем толще плёнка жидкости на поверхность твёрдого носителя.

Газоадсорбционная хроматография.

В газоадсорбционной  хроматографии разделение основано на различном удерживании компонентов  смеси частицами твёрдого адсорбента, который является неподвижной фазой. В качестве адсорбента широко применяются лишь пять материалов: молекулярные сита, окись алюминия, древесный уголь, силикагель и пористые полимерные шарики (полисорб). Из них наиболее распространены молекулярные сита (цеолиты) 5х и 13х. Они известны тем, что способны разделить кислород и азот при комнатной температуре. На молекулярных ситах разделяют смеси водорода, кислорода, азота, метана и окиси углерода.

При комнатных температурах двуокись углерода полностью адсорбируется  молекулярными ситами и её нельзя удалить из них обратной продувкой  колонки. Это, а также адсорбция  воды приводит к постепенному ухудшению работы колонки. Ухудшение проявляется в том, что постепенно падает способность колонки разделять смесь кислорода и азота. Восстанавливать колонку можно нагреванием колонки в потоке аргона при температуре – 350ºC. Для увеличения срока службы колонки с молекулярными ситами не допускать попадания воды в колонку.