Основы газовой хроматографии

Газ-носитель.

Газ-носитель поступает  в колонку хроматографа из баллона  со сжатым газом или из газовой  линии. Обычно в качестве газа-носителя используют водород, гелий, азот, аргон.

Газ-носитель должен удовлетворять следующим требованиям:

1. быть инертным, чтобы исключить возможность взаимодействия с пробой или жидкой фазой;
2. обеспечивать необходимые диффузные характеристики анализируемых веществ;
3. быть легкодоступными и чистыми;
4. быть дешевыми;
5. подходить для используемого детектора.

Эффективность колонки  зависит от скорости газа-носителя. Для колонки диаметром 3мм оптимальное  значение скорости составляет 25 – 30 мл/мин.

Детектор.

Хроматографический детектор – это устройство, которое регистрирует в потоке газа-носителя разделённые компоненты смеси и измеряет количество каждого из них. Наиболее распространенными являются детектор по теплопроводности (катарометр) и пламенно-ионизационный детектор.

Принцип действия катарометра  основан на том, что нагретое тело теряет тепло со скоростью, зависящей от состава окружающего газа. Скорость теплопередачи может быть использована для определения состава газа. Ячейка по теплопроводности состоит из спиральной металлической нити, установленной внутри камеры в металлическом блоке. Унос тепла происходит в основном за счет передачи газовому потоку, которая зависит от теплопроводности газа. Тепло отводится в тот момент, когда молекулы газа ударяются о нагретую нить и отталкиваются от неё с возросшей скоростью. Чем больше число таких столкновений в единицу времени, тем больше скорость отвода тепла. Теплопроводность газов зависит от подвижности их молекул, то есть от скорости, с которой молекулы газов могут диффундировать к нагретой нити и от неё. Скорость молекулы зависит от молекулярного веса: чем меньше молекула, тем больше её скорость и тем выше теплопроводность газа. Поэтому водород и гелий, имеющие наименьшие размеры молекул, имеют самую большую теплопроводность. Металлическую нить в детекторе по теплопроводности изготавливают из вольфрама и скручивают спиралью. Нить нагревают, пропуская через ячейку чистого газа-носителя потери тепла постоянны, поэтому температура тоже постоянна.

При изменении состава  газа, например, при наличии анализируемого вещества, температура нити меняется, что вызывает изменение её электрического сопротивления (у вольфрама электрическое сопротивление резко изменяется с температурой). Изменения сопротивления измеряется с помощью моста Уитсона. Мост Уитсона имеет две нити в измерительной линии и две нити – в сравнительной. Если через детектор идёт чистый газ-носитель, то все четыре нити находятся при одинаковой температуре, имеют одинаковое сопротивление, мост сбалансирован, выходной сигнал ровен нулю (нулевая линия на самописце). Если состав газа меняется, то изменяется сопротивление измерительных нитей S1 и S2, происходит разбаланс моста и возникает выходной сигнал (пик на самописце).

Факторы, влияющие на чувствительность катарометра.

Чувствительность детектора  по теплопроводности определяется выражением:

                      λ с – λs

S = K · I² · R ----------- (Тн – Тб)

                         λ с

Где: S – чувствительность;

K – константа ячейки;

I – сила тока;

R – сопротивление нити;

λ с – теплопроводность газа-носителя;

λs – теплопроводность анализируемого газа;

Тн – температура нити;

Тб – температура блока детектора.

а) Сила тока.

Член I² показывает, что увеличение силы тока приводит к значительному увеличению выходного сигнала, кроме того при увеличении силы тока возрастает температура нити Тн и сопротивление нити R. В результате при увеличении силы тока в 2 раза, чувствительность возрастает в 4 – 8 раз. Но слишком сильное увеличение тока приводит к нестабильности нулевой линии и может вызвать перегорание нити.

б) Газ-носитель.

           λ с – λs

Член  --------- возрастает с увеличением λ с. Поэтому неоходимо выбирать

               λ с

газ-носитель с максимально  возможной теплопроводностью (водород  или гелий)

в) Температура.

Повышение температуры нити Тн (вызванное увеличением силы тока I) повышает чувствительность детектора. Чтобы член (Тн – Тб) сделать максимально большим, Тб – температуру блока детектора должна быть возможно более низкой. В то же время температура блока детектора должна быть достаточно высокой, чтобы избежать конденсации пробы внутри детектора.

Таким образом, для повышения чувствительности детектора по теплопроводности необходимы: увеличение силы тока в нити, уменьшение температуры блока и выбор  газа-носителя с высокой теплопроводностью.

Рекомендации по работе с детекторами по теплопроводности:

1. так как чувствительность детектора сильно зависит от величины силы тока, перед анализом необходимо проверить, правильно ли установлен ток детектора (особенно при расчете методом абсолютной калибровки);
2. прежде чем включить ток, необходимо убедиться, что газ-носитель идёт через детектор. Если не будет отвода тепла газа-носителя, то детектор может выйти из строя.
3. Перед сменой колонки или прокладки, необходимо выключить ток, иначе воздух попавший в детектор, может окислить нагретые металлические нити и вывести их из строя.