Средства измерений
Разделение и определение компонентов пробы сложного вещества осуществляют в приборах – хроматографах. Основными узлами хроматографа являются устройство для подачи подвижной фазы, система ввода пробы с дозатором пробы, хроматографическая колонка, детектор, регистрирующее устройство, рис.6.
Рис. 6. Схема газового хроматографа [Кристиан Г. Аналитическая химия: в 2 т. – Т. 2 – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – 504 с. – Рис.20.1, С. 157.]
В хроматографической колонке происходит разделение компонентов. Материал колонки должен быть химически инертен по отношению к компонентам пробы. Материал, длина, диаметр и форму колонки подбирают экспериментально.
В ГХ применяют прямые, U – образные и спиральные хроматографические колонки длиной от 1 м до нескольких десятков метров. Например, кварцевые капиллярные колонки могут иметь длину до 100 м. Внутренний диаметр колонок может быть от 8 до 0.1 мм. Колонки чаще всего изготавливают из нержавеющей стали, латуни, меди, различных сортов стекла, полиэтилена, тефлона. Колонки для ВЭЖХ, которые чаще всего используют в анализе объектов окружающей природной среды, имеют длину 10 – 25 см, внутренний диаметр 4 – 6 мм.
Все колонки, кроме капиллярных, заполняют сорбентом – твердым адсорбентом, либо жидким абсорбентом, нанесенным на твердый носитель. Выбор сорбента зависит от агрегатного состояния пробы анализируемого вещества, сорбционных свойств определяемых компонентов, способа разделения компонентов и других факторов.
Например, в качестве адсорбента в ГХ используют оксид алюминия, силикагели, активированные угли, пористые полимеры на основе стирола, дивинилбензола, синтетические цеолиты и др. В ВЭЖХ колонки заполняют сферическими частицами силикагеля размером 5 – 10 мкм с привитыми октадецильными группами.
Хроматографические колонки присоединяют к детектору. Детектор предназначен для обнаружения изменения в составе подвижного носителя, прошедшего через колонку. В детекторе происходит преобразование входной величины – количества компонента в смеси, в другую физическую величину – физическое или физико-химическое свойство этого компонента или системы компонент – подвижная фаза.
Разработано более 50 типов детекторов. Детекторы различаются по физическому принципу измерений, заложенному в их конструкцию. В качестве детекторов в хроматографах для ГХ используются детектор по теплопроводности (катарометр), пламенно-ионизационный, электронного захвата, термохимический, термоионный, масс-спектрометрический и др. В качестве детекторов в хроматографах для ВЭЖХ массово используются УФ-детектор на диодной матрице, флуоресцентный, пламенно-фотометрический, кондуктометрический, полярографический.
По количеству определяемых компонентов детекторы подразделяют на универсальные и селективные (специфические). В универсальном детекторе получают аналитический сигнал от каждого компонента независимо от его химической природы, поступающего в детектор с подвижной фазой, а в селективном – только от компонентов со сходными химическими свойствами. К универсальным относятся пламенно-ионизационный, атомно-эмиссионный, масс-спектрометрический и инфракрасные спектрометрические детекторы. Селективными детекторами являются электронно-захватный (селективен к галогенсодержащим соединениям), термоионный (селективен к азот- и фосфорсодержащим соединениям), фотоионизационный (селективен к ароматическим углеводородам), детектор по электролитической проводимости (селективен к соединениям, содержащим атомы галогенов, серы и азота).
Некоторые детекторы позволяют определять примеси без концентрирования на уровне 10-5 – 10-7 %. Электрохимические и флуоресцентные детекторы в высокоэффективных жидкостных хроматографах в благоприятных случаях позволяют определять примеси на уровне пико- или фемтограммов (10-12 – 10-15 г) без концентрирования.
Выбор детектора зависит от агрегатного состояния анализируемого вещества, его физических и химических свойств, числа и концентрации определяемых компонентов и желаемого времени анализа.
Для определения большого числа компонентов в анализируемой пробе вещества из одной навески используют универсальный детектор. Если нужно определять несколько компонентов, близких по своим свойствам, используют селективный детектор. Для повышения селективности и уменьшения времени анализа используют комбинации универсальных и селективных детекторов. Например, горючие компоненты природного газа определяют по теплоте сгорания или ионизационному эффекту в пламенно-ионизационном детекторе, негорючие – по теплопроводности в детекторе по теплопроводности. Оба детектора монтируют в один хроматограф.