3. Газовая хроматография. Хроматографическая техника, методы и аппаратура

4.1 Разделительная колонка

Процесс разделения смеси осуществляется в разделительной колонке, которая является основным элементом хроматографа. Важными факторами, определяющими эффективность анализа, кроме правильного выбора неподвижной фазы, которой заполняется разделительная колонка, являются геометрические размеры колонки, материал из которого она изготовлена, форма и метод заполнения.

К материалу, из которого изготавливается колонка, предъявляются требования химической стойкости и отсутствия каталитической активности по отношению к сорбенту и компонентам разделяемой смеси. Широко применяются стеклянные трубки. Распространены также колонки из нержавеющей стали, меди и алюминия.

Металлические трубки очень удобны для изготовления длинных колонок небольшого диаметра, работающих при повышенных температурах, так как их легко термостатировать. Однако применение металлических трубок исключается, если есть вероятность химического взаимодействия металла с газами или сорбентом. Так, например, трубки из меди не пригодны для анализа смесей, содержащих ацетилен, а из алюминия – если неподвижной фазой служат молекулярные сита. Перед заполнением сорбентом металлические трубки должны быть тщательно очищены от грязи и окислов механическим путем или промывкой соляной кислотой и органическими растворителями.

Колонки из фторопласта удобно применять, если анализ проводится при комнатной температуре. При подборе оптимальной длины колонки можно последовательно от трубки отрезать куски, заполненные сорбентом, изменяя тем самым длину сорбционного слоя. Иногда используют полихлорвиниловые трубки, однако от этого следует отказаться, так как полихлорвинил действует отравляюще на некоторые сорбенты, ухудшая эффективность разделения.

Длина колонки - основной параметр, изменением которого можно влиять на разделительную способность колонки. Из теории хроматографии известно, что удерживаемый объем компонента пропорционален длине колонки, а ширина пика – квадратному корню из ее длины. При выборе оптимальной длины колонки следует учитывать, что при значительном увеличении ее длины на процесс разделения начинают оказывать влияние другие факторы (например, скорость потока и перепад давления). К тому же значительное удлинение колонки требует повышенного избыточного давления газа носителя для создания необходимой скорости потока, что усложняет работу хроматографа в целом.

При анализе легких газов в большинстве случаев применяются колонки длиной до 3 м, однако при хорошем разделении всех компонентов газы, имеющие наибольший объем удерживания на данном сорбенте (например, СН₄ и СО₂ на активированнном угле), выходят из колонки широкими пиками небольшой высоты. Это снижает чувствительность их определения и увеличивает время анализа.

Диаметр разделительной колонки в большинстве случаев принимается равным 3-8 мм. Увеличение диаметра колонки влечет за собой увеличение ширины пика, регистрируемого на хроматограмме, и уменьшение его высоты. Применение колонки диаметром больше 8 мм считается нерациональным, так как при этом происходит заметное ухудшение ее работы. Уменьшение диаметра колонки вызывает уменьшение наиболее выгодного объема пробы, а также увеличивает чувствительность анализа. Однако чрезмерное уменьшение диаметра (менее 3 мм) увеличивает сопротивление колонки и ухудшает процесс разделения.

Конструктивно разделительные колонки выполняются прямыми, U-образными, W-образными и спиральными (рис.4.1). Поскольку разделительные колонки в большинстве случаев помещаются в термостате, они должны быть компактными; поэтому применение прямых трубок затруднено. Наиболее удобными следует считать U-образные трубки, так как они легко заполняются неподвижной фазой и более компактны, чем прямые. При необходимости иметь колонки большей длины отдельные секции U-образных трубок соединяются между собой коленами из трубок того же диаметра, что и колонка, также заполненными адсорбентом, причем мертвое пространство, образуемое этими соединениями, должно быть минимальным. Длинным колонкам удобно придавать форму спирали.

а — U-образная; б — W-образная; в — спиральная; г — плоская спиральная.

Рисунок 4.1 – Хроматографические колонки:

При этом диаметр спирали должен быть не менее 150-250 мм во избежание падения разделительной способности колонки, которое можно объяснить тем, что при движении газа по спиральной трубке газ, примыкающий к внешней стенке разделительной колонки, должен проходить более длинный путь, что вызывает дополнительное размытие полосы.

При заполнении спиральных колонок сорбентом возникают некоторые трудности. Нельзя допускать наличия пустот в колонке, так как при этом ухудшается эффект разделения. В тоже время слишком плотная набивка вызывает излишнее сопротивление потоку газа-носителя. Часто в практике хроматографического анализа спиральные колонки перед заполнением выпрямляют. Затем заполненную сорбентом колонку сгибают на металлической трубе. Однако при этом не исключается возможность измельчения сорбента, приводящая к неравномерности фракций и образованию пыли. Для заполнения спиральных колонок без предварительного выпрямления удобно пользоваться стеклянной грушей-уловителем (рис.4.2). Груша-уловитель, заполненная предварительно навеской сорбента, соответствующей объему разделительной колонки, присоединяется к нижнему концу разделительной колонки. В свободный конец груши подается газ носитель под давлением 1-1,5 кгс/см². Верхний конец разделительной колонки закрывается мелкой металлической сеткой, препятствующей проскакиванию сорбента из колонки. При заполнении колонки (рис.4.2, а) грушу держат наклонно, слегка ее встряхивают и постукивают по колонке. Во избежание несчастного случая, вызванного повреждением стеклянной груши, во время подачи газа грушу следует поместить в чехол или обернуть куском ткани. После того как весь сорбент переместится из груши в разделительную колонку, следует медленно снизить давление газа и только после этого осторожно отсоединить грушу от колонки. Этим исключается возможность выброса сорбента из разделительной колонки. Аналогично производят и удаление сорбента из колонки; при этом грушу к колонке присоединяют по схеме, показанной на рис. 4.2, б. После того как сорбент удален из колонки, проверяют, не осталось ли в колонке «пробки». Для этого в колонку помещают шарик и подают в нее газ. Если «пробки» нет, шарик без задержки пройдет в противоположный конец колонки. Прямые, U-образные колонки и колонки из фторопласта заполняются сорбентом через воронку при легком постукивании по колонке. Качество набивки контролируют по объемной массе сорбента, исходя из массы сорбента и объема трубки.

1 - стеклянная груша-уловитель; 2 - разделительная; 3 - металлическая сетка; 4 - соединительная каучуковая трубка

Рисунок 4.2 – Заполнение разделительной колонки сорбентом (а) и удаление сорбента из колонки (б) с помощью уловительной груши

На разделительную способность колонки большое влияние оказывает температура, при которой происходит процесс разделения. Известно, что сорбционные свойства вещества при повышении температуры снижаются, при этом ускоряется выход компонента из разделительной колонки. Эта особенность позволяет варьированием температуры менять сорбционные свойства разделительной колонки в определенное время и в нужном направлении. Преимущества температурного фактора в настоящее время используются в большинстве выпускаемых приборов, предназначенных для анализа многокомпонентных смесей. В зависимости от конкретных задач применяются различные способы нагрева разделительной колонки.

Стационарный нагрев (изотермическая хроматография). В этом случае перед началом анализов колонка разогревается до необходимой температуры, которая поддерживается строго постоянной как во время проведения анализа, так и при всех других операциях, требующих сравнимых результатов. Здесь следует особо подчеркнуть важность поддержания постоянной температуры, так как удерживаемые сорбентом объемы чрезвычайно чувствительны к температурным колебаниям.

Нестационарный нагрев (хроматография с программированием температуры). Нагрев осуществляется обычно следующим образом: начало анализа проводится при низкой температуры, что дает возможность пройти через разделительную колонку тем компонентам, которые плохо адсорбируются. Затем в определенный момент времени начинается обогрев колонки. По мере продвижения по колонке компонентов, обладающих возрастающими адсорбционными способностями, температура колонки повышается, что дает возможность на одном сорбенте разделять сложные смеси, компоненты которых по своим физико-химическим свойствам резко отличаются друг от друга (рис.4.3). Анализы с нестационарным нагревом следует вести при вполне определенной скорости и степени нагрева колонки. Температура колонки в этом случае может меняться по разным режимам: ступенчато, непрерывно с постоянной скоростью (линейно) и непрерывно с переменной скоростью (нелинейно). Каждый из этих способов имеет свои достоинства, недостатки и области применения. Если, например, основную часть смеси составляют легкокипящие компоненты, целесообразно применять метод нелинейного программирования температуры: вначале температуру повышать медленно, а затем этот процесс ускорить.

а — при повышении температуры от 50 до 250°; б — при постоянной температуре 168°. 1 — н-пентан; 2 — н - гексан; 3 — н - гептан; 4 - н - октан; 5 — н - декан; 6 — н - додекан; 7 — н - тетрадекан.

Рисунок 4.3 – Хроматограммы, полученные при программировании температуры (а) и в изотермических условиях (б).

Неравномерный нагрев по длине колонки (хроматермография). В этом случае нагретая до определенной температуры печь движется вдоль разделительной колонки, что способствует распределению различных компонентов по зонам и их лучшему разделению (рис.4.4).

1 — ввод пробы; 2 — движущаяся электропечь с градиентом температуры по длине; 3 — адсорбционная колонка; 4 — детектор; Т=f(L) — распределение температуры вдоль печи: T₁... Т₅ — выходные температуры компонентов разделяемой многокомпонентной смеси (черточки на колонке обозначают расположение зон их вдоль колонки)

Рисунок 4.4 – Принципиальная схема хроматографического разделения:

4.2 Выбор неподвижной фазы

Выбор наиболее подходящей неподвижной фазы осуществляется в зависимости от природы газов, которые необходимо разделять. В газо-адсорбционной хроматографии колонки заполняются твердым сорбентом. Адсорбция газа на твердом сорбенте подчиняется уравнению изотермы адсорбции. Строение и свойства сорбентов весьма многообразны. По классификации Киселева к первому типу относятся неспецифические сорбенты, не имеющие на поверхности каких-либо функциональных групп (например угли), ко второму типу принадлежат сорбенты, имеющие на поверхности заряды (например, гидроксильные группы силикагеля), и к третьему - сорбенты, имеющие на поверхности связи или группы атомов с сосредоточенной электронной плотностью (например, полимеры с нитрильными группами).

Для анализа легких газов (к легким газам в хроматографии относят водород, азот, кислород, элементы нулевой группы периодической таблицы Менделеева, а также метан, оксид и диоксид углерода) в качестве адсорбента часто применяют активированные угли, получаемые обычно путем удаления из угля-сырца смолистых веществ и высокотемпературной термической обработки угля под действием окисляющих агентов, а также пропиткой различных органических материалов активирующими солями (К₂S, ZnCl₂), прокаливанием без доступа воздуха и отмывкой полученного угля водой. Активированные угли имеют сложную структуру пор радиусом 1,0-3,0 нм. Из выпускаемых сортов активированных углей в газовой хроматографии используют угли следующих марок: СКТ, АГ-2, АГ-3, КАД, БАУ и др. Эти угли позволяют производить разделение смеси газов, состоящей из Н₂, (N₂+О₂), СО, СН₄ и СО₂. Очередность выхода указанных компонентов соответствует тому порядку, в котором они перечислены. Активированные угли неполярны. Их высокая удельная поверхность (1000-1700 м²/г) обуславливает большую силу взаимодействия с анализируемым веществом, что ограничивает область применения углей анализом легких газов. Разделительная способность колонки зависит от размеров отдельных частиц адсорбента. Обычно применяется активированный уголь с размером частиц в пределах 0,2-0,8 мм. Увеличение размеров частиц снижает разделительную способность колонки, так как при этом уменьшается суммарная активная поверхность адсорбента. Использование адсорбента с размерами частиц меньше 0,2 мм не улучшает процесс разделения, но вызывает излишнее сопротивление колонки, которое в свою очередь ограничивает длину колонки. Положительно влияет на эффект разделения однородность фракционного состава адсорбента. В колонках небольшого диаметра (3-5 мм) обычно применяются фракции угля 0,6-0,8 мм.

К числу распространенных в газовом анализе адсорбентов относится силикагель – гель кремниевой кислоты, адсорбционная активность которого обусловлена в основном находящимися на поверхности гидроксильными группами. Силикагели в газо-адсорбционной хроматографии применяются в основном для разделения легких углеводородных газов; при этом непредельные углеводороды десорбируются, как правило, позднее предельных углеводородов. Силикагели различают по величине пор: крупнозернистые силикагели ШСК, МСК, КСК с удельной поверхностью 210-350 м²/г и диаметром пор 1,0-2,0 нм и др. С уменьшением диаметра пор и увеличением удельной поверхности силикагелей разделение компонентов улучшается.

Другой адсорбент – активированная окись алюминия (алюмогель) – также применяется в основном для разделения углеводородов. Как и силикагели, окись алюминия является полярным сорбентом и вследствие наличия поверхностных гидроксильных групп проявляет склонность к образованию водородных связей и взаимодействию с непредельными углеводородами. Поэтому порядок выхода углеводородов из колонки такой же, как у силикагелей.

Большие перспективы в расширении возможностей газо-адсорбционной хроматографии открылись в связи с применением в качестве сорбента молекулярных сит. Молекулярные сита – это мелкие пористые кристаллы синтетических или природных цеолитов. Свое название они получили потому, что их поры имеют размеры, близкие к размерам молекул (от0,4 до 1,0 нм в зависимости от марки) и адсорбция в них является своеобразным «просеиванием».Действительно, на молекулярных ситах могут сорбироваться только те вещества, молекулы которых могут проникнуть в поры. Например, на молекулярных ситах с малыми размерами пор могут сорбироваться только легкие вещества, размеры которых невелики, а тяжелые вещества, у которых размеры молекул превышают размеры пор, естественно, адсорбироваться не могут. На обычных сорбентах, как известно, более эффективно адсорбируются тяжелые вещества, поэтому предпочтительная адсорбция легких веществ на цеолитах сначала казалась непонятной и получила объяснение лишь после раскрытия роли размера пор в процессе поглощения цеолитом. В газовой хроматографии используются молекулярные сита NaA (4A), CaA (5A), CaX (10X) и NaX (13X), диаметр пор которых составляет соответственно 0,4; 0,5; 1,0 и 1,3 нм. Основное достоинство молекулярных сит как адсорбента заключается в возможности полного разделения кислорода и азота, что представляет большие трудности при использовании других адсорбентов. На цеолитах CaA, CaX и NaX хорошо разделяются смеси водорода, кислорода, азота, метана и оксида углерода. Диоксид углерода сильно адсорбируется молекулярными ситами, и при комнатной температуре ее десорбции практически не происходит. Можно добиться выделения СО₂ из колонки только при температуре выше 150⁰С. Молекулярные сита активно поглощают влагу, в связи с чем цеолиты часто используют как осушители. Однако их увлажнение влияет на время выхода компонентов. Поэтому для стабильной работы колонки с молекулярными ситами необходимо тщательно удалять влагу из анализируемого газа и газа-носителя. Перед наполнением колонки молекулярные сита необходимо тщательно высушить.

Для разделения низкокипящих газов вместо молекулярных сит в последнее время часто используются пористые стекла. Исходным материалом для их получения обычно являются боросиликатные стекла, которые при определенной термообработке приобретают химическую неустойчивость к кислотам и щелочам. Обработка таких стекол кислотами придает им пористость. Изменение химического состава исходного материала и режима его обработки позволяет получать стекла с определенными размерами пор (от 0,8 до 100 нм). Очень мелкопористое стекло типа молекулярного сита (с порами диаметром 1,0 нм) используется для разделения низкокипящих газов. По сравнению с молекулярными ситами пористые стекла имеют лучшую механическую прочность и вполне кислотостойки. Пористые стекла с порами диаметром от 3 до 10 нм используются для анализа легких углеводородных газов. В этой области анализа пористые стекла имеют преимущества перед силикагелем и алюмогелем благодаря однородности пор.

Среди новых направлений в развитии газо-адсорбционной хроматографии, определяющих расширение ее аналитических возможностей, следует отметить применение пористых полимерных сорбентов. В настоящее время для газовой хроматографии начинают применяться пористые материалы на основе сополимеров стирола, этилстирола и дивинилбензола. Разделительные процессы на пористых полимерах отличаются от процессов разделения в адсорбционной и распределительной хроматографии. Если обычное разделение происходит на поверхности адсорбента или в тонкой пленке жидкости, нанесенной на твердое тело, то хроматография на пористых полимерах осуществляется во всем объеме частицы полимера. Предполагается, что здесь имеет место и адсорбция и распределение. К преимуществам полимерных сорбентов следует отнести: наличие большой инертной поверхности (до 700 м²/г), которую можно регулировать в процессе полимеризации; высокую пористость и достаточно однородное распределение пор; постоянство времени удерживания компонентов; высокую эффективность разделения. Одной из важнейших положительных особенностей полимерных сорбентов является то, что вода имеет небольшое время удерживания и быстро выходит из колонки симметричным пиком. Благодаря этому с помощью полимерных сорбентов можно определять содержание воды в газах и жидкостях. При анализе газовых смесей на пористых полимерах не требуется осушка анализируемой пробы перед анализом.

Возможности хроматографического определения веществ в газовой фазе значительно возросли с открытием в 1952 г. метода газо-жидкостной хроматографии. При анализе по этому методу анализируемая смесь проходит через колонку, наполненную твердым носителем, на поверхность которого нанесен тонкий слой жидкой фазы. Таким образом, с компонентами пробы здесь взаимодействует уже вещество жидкой пленки, хотя в реальных условиях газо-жидкостной хроматографии компоненты смеси частично взаимодействуют и с твердым адсорбентом.

Появление жидкой пленки привело к изменению природы физико-химических процессов в хроматографической колонке. Вместо процесса адсорбции газа на твердом носителе. Эффективность разделения стала определяться не процессами адсорбции-десорбции газа, как это было в адсорбционной газовой хроматографии, а процессами растворения газа в жидкой пленке и его выделения. Различие в растворимости газов оказалось более существенным, чем различие в их адсорбционных свойствах, поэтому газо-жидкостная хроматография открыла более широкие возможности в разделении и анализе многокомпонентных смесей. Очень важным преимуществом газо-жидкостной хроматографии является возможность работы в области линейной изотермы в более широкой области концентраций, что обеспечивает получение практически симметричных хроматографических пиков. Эффективность разделения в газо-жидкостной хроматографии зависит главным образом от правильности выбора жидкой фазы. Строго обоснованных теоретически способов выбора жидкой фазы не существует в связи со сложностью протекающих процессов и недостаточной разработанностью теории растворов. Однако требования к жидкой фазе предъявляюся совершенно определенные. Жидкая фаза должна обладать достаточно высокой селективностью, то есть способностью разделять смеси компонентов, быть химически инертным по отношению к компонентам смеси и к твердому носителю, оставаться термически устойчивой, не растворять газ-носитель, иметь малую вязкость и быть нелетучей (или иметь летучесть незначительную).

При выборе жидкой фазы полезным оказалось старое правило – «подобное растворяется в подобном». В соответствии с этим правилом для разделения смеси двух веществ выбирают жидкую фазу, близкую по химической природе одному из компонентов. Ограниченность такого подхода для веществ с близкими свойствами или смесями очевидна. Накопленный экспериментальный материал по хроматографированию различных систем и установление закономерности часто дают возможность предвидеть поведение отдельных компонентов в ходе хроматографирования и обосновано выбирать оптимальные условия разделения сложных смесей. Эффективным оказалось применение колонок, содержащих несколько неподвижных фаз или сложные сорбенты. В составных колонках анализируемую смесь последовательно пропускают через несколько колонок с разными жидкими фазами. При нанесении на один твердый носитель смеси нескольких неподвижных фаз получают колонки со смешанной фазой. В качестве жидкой фазы в газо-жидкостной хроматографии используют вазелиновое масло, силиконовое масло, фталаты (дибутил, диоктил и др.), диметилфорамид, трикрезилфосфат и др. Количество жидкой фазы зависит от свойств системы и составляет от 1 до 30-50% от массы твердого носителя. Пленка жидкости бывает очень тонкой, поэтому внешний вид носителя с пленкой обычно остается таким же, каким он был у носителей без пленки.

В качестве твердых носителей для газо-жидкостной хроматографии обычно применяют материалы с развитой макропористостью, но малой микропористостью. В противном случае может происходить адсорбция анализируемых соединений поверхностью твердого носителя, что приводит к асимметричности пика и ухудшению качества разделения. Наибольшее распространение получили носители на основе кизельгула или диатомита. Применяют также стеклянные микрошарики. Для разделения реакционноспособных веществ используется тефлон.

4.3 Газ-носитель

Выбор газа-носителя определяется условиями разделения компонентов, а также условиями качественного и количественного их определения (детектирования). При выборе газа, используемого в качестве носителя, принимаются во внимание следующие требования. Газ-носитель должен быть доступным в сравнительно большом количестве, химически инертным по отношению к разделяемым веществам и сорбенту, очищенным от механических примесей и влаги, взрывобезопасным. Выполнение последнего требования особенно важно, если хроматограф используется непосредственно в производственном помещении. Газ-носитель, естественно, не должен содержать ни одного из компонентов, подлежащих определению. С точки зрения примененного в приборе принципа детектирования газ-носитель должен обеспечить работу детектора с высокой чувствительностью. Вязкость газа-носителя должна быть как можно меньше, чтобы иметь небольшой перепад давлений в колонке. Газ-носитель должен поглощаться сорбентом существенно хуже любого из анализируемых веществ. Следует сразу же оговорить, что идеального газа носителя, удовлетворяющего всем перечисленным требованиям, не существует. Поэтому в зависимости от обстоятельств приходится принимать компромиссное решение, выбирая среди нескольких желательных характеристик газа-носителя наиболее важные для решения конкретной задачи. Наиболее часто в качестве газа-носителя применяют воздух, азот, гелий, аргон, водород, двуокись углерода и др.

При работе на хроматографе с термохимическими детекторами необходим кислород, поэтому наиболее пригодным газом-носителем является воздух, который обладает известными преимуществами в смысле его доступности; в этом случае установку для анализа можно выполнять компактной (переносной). К недостаткам воздуха как газа-носителя относится его низкая теплопроводность, что не позволяет добиться высокой чувствительности для большинства газов при использовании эффекта теплопроводности. Кроме того, воздух не пригоден в случаях, когда необходимо определять в анализируемой смеси содержание азота и кислорода.

Рисунок 4.5 – Зависимость коэффициента теплопроводности некоторых газов от температуры.

Азот и аргон в качестве газа-носителя применяются довольно часто, однако эти газы также обладают низким коэффициентом теплопроводности, что ограничивает их использование при необходимости иметь высокую чувствительность. Из рис.4.5 видно, что наибольшую чувствительность анализа при использовании детекторов по теплопроводности можно получить, применяя в качестве газа-носителя водорода или гелия.

Водород имеет малую вязкость, что позволяет использовать его при работе с длинными колонками. Однако взрывоопасность водорода создает дополнительные трудности при эксплуатации аппаратуры и ограничивает его применение в производственных условиях. Кроме того, водород не может быть использован в случае применения в детекторе по теплопроводности термисторов (с оксидами металлов) при температуре выше 100⁰С из-за его восстанавливающих свойств, а также в случае, когда одним из анализируемых компонентов является водород.

Гелий вполне безопасен и удовлетворяет большинству требований. Но в то же время у него сравнительно высокая стоимость. Если в приборе используется ионизационный детектор, к чистоте гелия предъявляются очень жесткие требования. Из-за близости значений коэффициентов теплопроводности гелия и водорода содержание последнего в анализируемой смеси может быть определено лишь с невысокой точностью. Кроме того, применение гелия может привести к уменьшению эффективности разделительной колонки за счет большого коэффициента диффузии. Снижение разделительной способности колонки особенно заметно при малом расходе газа-носителя (10-30 см³/мин) и практически не сказываеся на эффективности разделения при более высоких его расходах.

Расход газа-носителя через разделительную колонку оказывает значительное влияние на работу хроматографической установки. Для каждой конкретной задачи существует определенный оптимальных расход газа носителя (обычно в пределах 10-100 см³/мин). При уменьшении расхода газа-носителя наблюдается растягивание кривой разделения, ухудшение четкости выхода компонентов, увеличение времени анализа. Чрезмерное увеличение расхода приводит к недостаточно полному разделению компонентов. Поэтому, исходя из конкретных условий и целей, для каждой установки выбирают оптимальную величину расхода газа-носителя, которая во время проведения анализов должна поддерживаться постоянной. Хроматографический анализ не требует точного определения абсолютного значения расхода газа-носителя, однако для получения сравнимых результатов необходимо строго поддерживать постоянство расхода при анализах и калибровках. Если расход газа-носителя постоянен, то при прочих равных условиях время выхода отдельных компонентов из разделительной колонки также постоянно, а это имеет важное значение для качественного анализа. По времени выхода того или иного компонента (счет ведется от начала впуска газа в колонку) можно судить о составе анализируемой смеси. Отсутствие пика в соответствующий момент свидетельствует, что в смеси нет такого компонента, который должен появиться на выходе из колонки в данное время. Оптимальный расход газа-носителя для каждой конкретной аналитической задачи рекомендуется определять экспериментально, не полагаясь целиком на рекомендации, данные в инструкциях к прибору.

4. Введение пробы в разделительную колонку

Эффект разделения смеси и количественного определения компонентов в значительной степени зависит от объема пробы, вводимой в разделительную колонку. Нижний предел объема пробы ограничивается только чувствительностью прибора: количество вводимого вещества должно быть достаточным для получения необходимого сигнала детектора. Верхний предел объема пробы ограничивается условиями разделения в колонке. Увеличение объема пробы приводит к возрастанию не только высоты, но и ширины пиков, что вызывает их взаимное перекрытие (перегрузку колонки). Поэтому максимальный объем пробы выбирается таким образом, чтобы сохранялась четкость разделения смеси. Для каждой колонки существует своя величина максимального объема пробы, при котором еще достигается необходимый эффект разделения. В большинстве хроматографов, применяемых для анализа газовых смесей, оптимальный объем пробы находится в пределах от 0,5 до 20 см³. Метод введения порции исследуемого газа в колонку оказывает большое влияние на эффективность разделения и на точность анализа. Неправильное введение пробы может служить источником значительных ошибок.

Введение пробы в колонку (дозирование) осуществляют с помощью специального устройства – дозатора, с соблюдением следующих условий.

1. Введение пробы осуществлять без прекращения потока газа-носителя. При временном прекращении потока нарушаются условия теплового равновесия в системе, созданные перед началам анализа, что влечет за собой смещение нулевой линии в процессе самого анализа.

2. Образец вводить в колонку как можно быстрее, так как в противном случае ухудшается разделение смеси на компоненты из-за разбавления ее газом-носителем. Если вводить пробу в колонку медленно или с перерывами, то полученная хроматограмма будет представлять собой результат наложения одна на другую ряда отдельных хроматограмм. Идеальным считается такое введение пробы, при котором проба занимает минимальный объем на начальном участке колонки.

3. Условия введения пробы должны обеспечивать хорошую воспроизводимость результатов при повторных анализах одной и той же смеси.

4. Материал дозатора не должен сорбировать анализируемые вещества или химически с ним реагировать.

5. Дозатор должен быть прост по конструкции и удобен в обращении.

В хроматографах лабораторного типа в качестве дозаторов чаще всего используются шприцы. Можно использовать медицинские или специальные шприцы, снабженные устройством, позволяющим с помощью микровинта регулировать ход поршня, а следовательно, и отмеряемый объем пробы. Для введения пробы используется резиновая мембрана, которая с помощью специального устройства соединяется с разделительной колонкой (в качестве мембраны часто применяют пробки от флаконов с пенициллином). Эти устройства необходимо устанавливать как можно ближе к разделительной колонке, чтобы проба мгновенно попадала на сорбент (рис.4.6). Резиновые мембраны можно использовать до 50-100 раз, после чего они обычно теряют свою герметичность. Если используются толстые иглы, герметичность дозатора нарушается быстрее.

1 — крышка с направляющим отверстием; 2 — резиновая мембрана; 3 — соединительная трубка; 4 — разделительная колонка.

Рисунок 4.6 – Дозирующее устройство для введения пробы шприцем.

Введение пробы шприцем дает хорошо воспроизводимые результаты, однако требует определенных навыков при работе. Пробу, отобранную в полость шприца, следует обязательно приводить к атмосферному давлению. Для этого необходимо отбирать немного более положенного объема, а затем медленным продвижением поршня выталкивать избыток газа в атмосферу.

Исследуемый газ, находящийся в аспираторе, из которого производится отбор пробы шприцем, должен иметь некоторое избыточное давление. Если это условие не соблюдается и отбор производится из пространства, находящегося, под разрежением, то происходит мгновенное разбавление пробы воздухом в момент, когда иглу шприца извлекают из пробоотборного устройства. Необходимо также соблюдать осторожность в тот момент, когда иглу шприца вводят в пространство перед разделительной колонкой. Если колонка работает под давлением, в этот момент может произойти выталкивание поршня, что вызовет увеличение объема пробы за счет разбавления ее газом носителем.

Во избежание изменения объема пробы за счет влияния температуры не следует держать шприц за корпус. Шприц при работе держат осторожно за верхнюю часть, находящуюся выше отмеряемого объема. Не допускается применение поршня, взятого от другого шприца, так как при этом нарушаются условия герметичности в пришлифованной поверхности между поршнем и стенками корпуса. Поверхность эта должна быть покрыта тонким слоем вакуумной смазки. Рекомендуется применять шприцы со стеклянным поршнем, так как они дольше сохраняют герметичность в пришлифованной поверхности по сравнению со шприцами, имеющими металлический поршень. Перед началом работы со шприцем следует обязательно проверять его герметичность.

Хорошую воспроизводимость результатов обеспечивает работа со шприцем, снабженным специальной втулкой-ограничителем, которая размещается в корпусе шприца между поршнем и торцевой крышкой, ограничивая ход поршня в обратном направлении.

Широко распространены методы введения газообразных проб с помощью вытеснения потоком газа-носителя пробы газа из дозируемого объема. К дозатором такого типа можно отнести обычные шести- или четырех-ходовые краны (рис.4.7). Вначале поток исследуемого газа (проба) проходит через калиброванный объем и сбрасывается в атмосферу, в то время как газ-носитель поступает непосредственно в колонку. После поворота крана газ-носитель начинает проходить через калиброванный объем и выталкивает оставшуюся в нем пробу в колонку. Дозаторы, выполненные на основе метода вытеснения пробы потоком газа-носителя, имеют один общий недостаток: источник анализируемой смеси, из которого отбирается проба, должен находиться под избыточным давлением, чтобы можно было осуществить тщательную продувку дозатора исследуемым газом и привести пробу к атмосферному давлению. Это требование легко удовлетворяется, если проба берется на анализ из аспиратора. Когда необходимо отбирать пробу газа на анализ непосредственно из газохода, подача газа к прибору по этой схеме должна производиться при избыточном давлении. На «промывку» дозатора исследуемым газом требуется излишек газа (5-10 объемов дозатора). Это требование не всегда может быть удовлетворено. Кроме того, эти дозаторы необходимо смазывать, поэтому их нельзя применять для дозировки газов, адсорбирующихся на смазке.

1 — калиброванный объем; 2 — корпус; 3 — вращающаяся шайба.

Рисунок 4.7 – Краны: шестиходовой (а) и четырех ходовой (б) с вращающейся шайбой.

Для введения малых количеств газа или жидкости используют дозатор с движущимся штоком (рис.4.8). Шток 3 с просверленным в нем отверстием 4 может перемещаться так, что отверстие 4 попадает в одну из камер дозатора, причем сначала в камеру для анализируемой смеси, а затем в камеру для газа-носителя. В результате проба, объем которой определяется высверленным объемом 4, попадает в камеру для газа-носителя и выталкивается им в колонку. Одним из достоинств этого дозатора является хорошая воспроизводимость условий ввода пробы.

1 — уплотнение из фторопласта; 2 — уплотняющая перегородка; 3 — шток, 4 — дозировочное отверстие; 5 — отверстие для прохода газа носителя; 6 — корпус

Рисунок 4.8 – Дозатор с движущим­ся штоком

5. Детекторы

Неотъемлемой и ответственной частью хроматографической установки является детектор, в значительной мере определяющий уровень и возможности хроматографического метода. Как справедливо указывали Жуховицкий и Туркельтауб “история развития хроматографии в известной степени прдставляет собой историю развития детектора”. От характеристики детектора в первую очередь зависят состав и природа доступных для анализа смесей; точность и чувствительность всей установки; время, затрачиваемое на проведение анализа; оптимальный объем пробы; режим анализа и др. Условия работы детектора могут вносить существенные искажения в хроматограмму: нарушать симметрию пиков, смешивать разделенные компоненты из-за инерционности и т. п.

Требования, предъявляемые к детектору, в основном сводятся к следующему:

- высокая чувствительность, так как иногда возникает необходимость обнаруживать очень небольшие концентрации компонентов, входящих в смесь;

- малая инерционность, связанная с тем, что в проявительном анализе смена компонентов на выходе из колонки осуществляется очень быстро и детектор должен успевать фиксировать их выход;

- максимальная простота и дешевизна изготовления;

- конструкция детектора должна быть расчитана на подключение регистрирующего прибора;

- так как показания детектора используются для количественных расчетов, желательна линейная зависимость сигнала от количества определяемого вещества;

- высокая стабильность, при отсутствии которой возникает необходимость в частых перекалибровках прибора.

Детектор предназначен для обнаружения изменений в составе газа, прошедшего через колонку. Показания детектора обычно преобразуются в электрический сигнал и передаются фиксирующему или записывающему прибору, например на ленту электронного потенциометра. Основными характеристиками детектора являются чувствительность, пределы детектирования, инерционность и диапазон линейной зависимости между концентрацией и величиной сигнала. Детекторы подразделяются на дифференциальные, которые отражают мгновенное изменение концентрации, и интегральные, суммирующие изменение концентрации за некоторый отрезок времени.

В интегральных детекторах анализируемый газ на выходе из колонки поглощается каким-либо раствором, а затем анализируется или поглощающий раствор или оставшийся не поглощенный газ. При этом получают интегральную кривую ступенчатой формы, приведенную на рис. 4.9 (а). Если носителем является диоксид углерода, то после колонки газ барботирует через раствор щелочи и измеряется объем газа, не поглощенного этой жидкостью. Достоинствами интегральных детекторов являются их простота и широкая область линейной зависимости показаний детектора от количества вещества. К недостаткам относятся значительная инерционность и низкая чувствительность, в связи, с чем такие детекторы в настоящее время применяются редко.

h - расстояние, пропорциональное массе компонента, элюированного в интервале времени

t₂ – t₁, заштрихованная площадь пропорциональна массе компонента, элюированного в интервале времени t₂ – t₁

Рисунок 4.9 – Дифференциальная (а) и интегральная (б) хроматограммы

К группе дифференциальных относятся детекторы по теплопроводности (катарометр), по плотности, по электрической проводимости, пламенный, пламенно-ионизационный (ПИД) и другие ионизационные детекторы, термохимический, пламенно-фотометрическнй и т. д. Дифференциальная хроматограмма состоит из пиков, похожих на гауссовы кривые (см. рис. 4.9, б). Хроматограммы обоих типов можно обработать качественно и количественно. В интегральных хроматограммах мерой количества компонента служит высота одного шага кривой, в дифференциальных – площадь под кривой элюирования (ограниченная нулевой линией). Высота и площадь пропорциональны количеству компонента. Детектор выбирают в зависимости от свойств изучаемой системы, агрегатного состояния фаз и других особенностей.

Дифференциальные детекторы подразделяют на концентрационные и потоковые, первые регистрируют концентрацию, вторые – произведение концентрации на скорость, т.е. поток вещества. К концентрационным относятся катарометр, газовые весы, детектор по ионизации -излучением, их показания зависят от скорости потока. К потоковым относятся термохимический, пламенно-ионизационный и другие детекторы, показания которых не зависят от скорости потока. Принцип действия хроматографических детекторов может быть самым разным, поэтому их трудно сравнивать. Однако существует несколько общих критериев – селективность, чувствительность, реакция, шум, нижний предел детектирования (наименьшее детектируемое количество) и линейность отклика. Для количественной работы почти каждый детектор требует калибровки, необходимой для определения поправочных коэффициентов.

Наиболее простым интегральным детектором является нитрометр (азотомер) (рис. 4.10). Бюретку 4, снабженную ртутным затвором 3, заполняют раствором едкого кали. Диоксид углерода, являющийся газом-носителем проходит через патрубок и затвор 3 в бюретку и поглощается раствором щелочи. Если в элюате содержится вещество, не растворяющееся в щелочи, то оно барботирует через слой жидкости и собирается в верхней части бюретки. Уровни щелочи в уравнительной склянке и в бюретке при замере должны быть одинаковы, тогда объем газа в бюретке будет соответствовать объему элюированных из колонки веществ. Нитрометр – самый простой и дешевый прибор, применяемый в хроматографии. Его недостатки – низкая чувствительность, значительная инерционность, возможность проведения анализа только при низких температурах и небольших скоростях потока газа-носителя. Точность анализа зависит от чистоты газа-носителя; диоксид углерода не должен содержать примесей, не поглощаемых раствором едкого кали.

1—уравнительная склянка; 2 — соединительная трубка; 3 — ртутный затвор; 4 — бюретка со щелочью; 5 — измерительная трубка со шкалой; 6 — кран.

Рисунок 4.10 – Азотомер

Плотномер – детектор, основанный на измерении плотности газов, принадлежит к числу концентрационных детекторов. Чувствительным элементом плотномера является термоанемометр, включающий в себя термоэлемент с двумя спаями. Если потоки 1 и 2 (рис. 4.11), поступающие в детектор имеют одинаковый состав и скорость их одинакова, будет одинакова и температура обоих спаев. Если же плотности потоков различны, то нарушится температурное равновесие спаев и возникнет электрический сигнал, пропорциональный разности плотностей потоков. Другой, более простой вариант плотномера изображен на рис. . Здесь количество газа, проходящего через каналы АГ и БВ, также пропорционально

разности плотностей элюата и чистого газа-носителя. Эти потоки вызывают электрический сигнал датчиков термоанемометра. Одним из достоинств плотномера является простота количественных расчетов по полученным хроматограммам. Однако по чувствительности он уступает детекторам ионизационного типа. Плотномер может быть использован не только для обычных анализов, но и для определения молекулярной массы веществ. При определении высокомолекулярных соединений плотномер обеспечивает высокую чувствительность (10^-4 – 10^-5 мг/мл). В качестве газа-носителя могут использоваться N₂O, Ar, CO₂.

1 — элюат; 2 — сравнительный газ; 3 — датчик термоанемометра; 4 — выход газа; 5 — регулятор расхода.

Рисунок 4.11 – Схемы плотномеров

Пламенный детектор – основан на измерении температуры водородного пламени с помощью термопары, помещенной несколько выше нормального положения водородного

пламени. Газом-носителем является водород. Однако может быть использован и азот; в этом случае в поток газа-носителя перед горелкой наряду с воздухом добавляется водород. Пламенный детектор обладает хорошей чувствительностью и малой инерционностью. Область его применения – анализ горючих веществ.

1 — корпус; 2 — стакан, 3 — крышка; 4 — коллекторный электрод; 5 — горелка; 6 — поляризующий электрод.

Рисунок 4.12 – Пламенно-ионизационный детектор:

Пламенно-ионизационный детектор. Как известно при обычных условиях газы не проводят ток. Если же под воздействием например пламени или радиоактивного излучения в газе образуются ионы радикалы или свободные электроны, то даже при очень небольшой концентрации этих частиц газы становятся проводниками электрического тока. На этом и основано действие пламенно-ионизационного детектора. Схема одного из них приведена на рис. 4.12. Элюат смешивают с водородом и подают к соплу горелки 5 (к горелке поступает также очищенный воздух). Горение происходит между двумя электродами (иногда одним из них служит сопло горелки). На электроды подается напряжение 90-300В. Под действием этого напряжения движение ионов упорядочивается, возникает ионный ток, который через усилитель попадает к регистратору. Чисто водородное пламя обладает очень низкой диэлектрической проводимостью. При появлении в водороде примесей органических соединений происходит ионизация пламени, пропорциональная концентрации примеси, что легко может быть измерено. Высокая чувствительность детекторов этого типа обусловила их широкое применение. Однако высокая чувствительность ПИД проявляется по отношению только к органическим соединениям, а к неорганическим, таким как аммиак, сероводород, оксиды серы, кислород, азот и т. д., чувствительность детектора резко падает. В качестве газа-носителя можно использовать водород, азот, гелий, аргон и т.д. Воздух применять не рекомендуется, т.к. возникают неблагоприятные условия для горения, вызывающие понижение чувствительности. Вследствие высокой чувствительности детектор отмечает присутствие примесей в газе-носителе, который должен проходить предварительную тщательную очистку.

Термоионный детектор (модификация пламенно-ионизационного) характеризуется повышенной чувствительностью к фосфор-, азот- и галогенсодержащим соединениям. Конструкция этого детектора отличается тем, что на конце кварцевой горелки располагается небольшой наконечник из соли щелочного или щелочноземельного металла, который и обеспечивает селективность по отношению к фосфору, азоту и галогенам.

Ионизационные детекторы – ионы в них образуются под действием радиоактивного излучения, источниками которого служат обычно ³Н и ⁶³Ni, а также ⁹⁰Sr; ¹⁴⁷Pr, ⁸⁵Кr, RaD (-излучение) и ³²⁶Ra (-излучение). Простейшим является детектор непосредственной ионизации или детектор поперечного сечения ионизации (рис. 4.13, а). Под действием радиоактивного излучения в ионизационной камере образуются ионы, число которых зависит от концентрации вещества в элюате и поперечного сечения ионизации, являющегося молекулярной характеристикой. Поскольку поперечные сечения ионизации легких газов, применяемых в качестве газов носителей, малы, сигнал детектора пропорционален концентрации анализируемых веществ. Чтобы упорядочить движение ионов и заставить их двигаться с определенной скоростью, к камере прикладывают напряжение 300-1000В. Большее распространение получил аргоновый детектор (в качестве газа-носителя – аргон). -лучи возбуждают атомы аргона и переводят их в метастабильное состояние. Возбужденные атомы, в свою очередь, ионизируют молекулы веществ, энергия ионизации которых ниже энергии атомов аргона в метастабильном состоянии (11,7 эВ). Схема аналогична, изображенной на рис. 4.13, б. Объем ячейки довольно велик и составляет 3-8 мл (эффективный объем ионизации существенно меньше). Напряжение, подаваемое на электроды, можно менять от 750 до 2000 В с соответственным повышением чувствительности.

1 — источник радиоактивного излучения; 2 — электрод.

Рисунок 4.13 – Ионизационные детекторы : непосредственной ионизации (а), микроаргоновый (б) и аргоновый триодный (в)

Для уменьшения эффективного объема ионизации (до 10^-3 мм) в камеру аргонового детектора вводят очищенный газ (чистый аргон), расход которого должен быть существенно выше расхода элюента. Такой детектор называют микроаргоновым (рис. 4.13, б). Чтобы уменьшить фоновый ток в ионизационную камеру вводят третий электрод (рис. 4.13, в). На нем собираются ионы, образованные в результате взаимодействия метастабильных атомов аргона с молекулами разделяемых веществ, и не попадают ионы, образовавшиеся при ионизации аргона и обуславливающие фоновый ток. Такой детектор называют аргоновым триодным. Одним из недостатков аргоновых ионизационных детекторов является «перегрузка» при сравнительно высоких концентрациях компонентов в элюате. Поскольку возбужденные атомы аргона не в состоянии ионизировать все молекулы компонента, происходит «срыв» ионизации и появление на хроматограмме двух и более пиков одного и того же вещества. При частичной перегрузке линейный динамический диапазон детектора не распространяется на область высоких концентраций.

Обычно скорость электронов, движущихся к аноду ионизационной камеры составляет 10⁵ см/с. При уменьшении ускоряющего напряжения до 10-100В скорость электронов снижается и молекулы некоторых соединений, обладающих достаточным сродством к электрону (например галогены) захватывают такие медленные электроны, в результате чего образуются заряженные молекулярные ионы. При этом ток ионизации снижается и на хроматограмме появляется отрицательный пик. Детектор, принцип работы которого основан на захвате электронов называется детектором электронного захвата (рис. 4.14). Такой детектор удобен для качественного анализа вследствие его высокой чувствительности к соединениям, содержащим галогены, азот, свинец и некоторые другие элементы. В качестве газа-носителя рекомендуется азот или водород. Использование аргона нежелательно, так как возбужденные его атомы могут вызвать побочные процессы.

1 — анод; 2 — диффузор; 3 — источник радиоактивного излучения; 4 — катод.

Рисунок 4.14 – Электронозахватный детектор

Гелиевый детектор. Разработан для ультрамикроанализа газов. Под воздействием тритиевого источника -излучения и высокого градиента электрического поля (более 2000 В/см) гелий, используемый в качестве газа-носителя, переходит в метастабильное состояние с определенным ионизационным потенциалом. Все соединения с более низким потенциалом ионизации при этом ионизируются и дают положительный сигнал. Гелиевый детектор дает отклик на все газы, исключая неон. Этот детектор удобен для анализа следовых примесей в высокоочищенных этилене, кислороде, аргоне, водороде, диоксиде углерода и т.д.

Катарометр (термокондуктометрический детектор или детектор по теплопроводности). Основан на измерении электрического сопротивления проводника в зависимости от теплопроводности окружающей среды. Благодаря простоте изготовления и надежности в работе детекторы этого типа получили широкое распространение. Большинство серийно выпускаемых хроматографов имеет в своем комплекте катарометры. На рисунке представлен один из вариантов принципиальной схемы детектора, работающего на принципе теплопроводности. Электрическая схема представляет собой мост Уитстона. Через рабочую камеру протекает газ, выходящий из разделительной колонки, а через сравнительную – чистый газ-носитель. Плечи моста нагреваются до определенной температуры. Для установления заданного напряжения питания служит регулировочное сопротивление R_p. В измерительную диагональ моста включен измерительный прибор, который может быть показывающим или регистрирующим. Когда через обе камеры детектора протекает с определенной скоростью поток газа-носителя, мост электрически уравновешен и выходной сигнал его равен нулю. Дополнительное переменное сопротивление R₀ позволяет скорректировать положение нулевой линии на хроматограмме. При появлении в потоке газа-носителя компонента, имеющего в смеси с газом-носителем теплопроводность, отличную от теплопроводности чистого газа-носителя, изменяются условия теплопередачи от чувствительных элементов к газовому потоку и стенкам рабочей

Рисунок 4.15 – Принципиальная электрическая схема детектора по теплопроводности

камеры. Благодаря этому изменяется их температура и, следовательно, электрическое сопротивление. В результате электрическое равновесие моста разрушается и в измерительной диагонали моста возникает ток, регистрируемый в виде сигнала детектора. В качестве чувствительных элементов применяются металлические нити из платины, вольфрама, сплава платины с родием или полупроводниковые сопротивления – термисторы. Последние имеют преимущества перед нитями: меньшие размеры, значительно большие сопротивления и температурный коэффициент сопротивления. Однако инерционность термистора больше, чем инерционность металлической нити. С этим приходится считаться, так как в хроматографии время реагирования детектора на изменение состава смеси является важным условием эффективности проведения анализа Термисторные шарики состоят обычно из спекшейся смеси оксидов марганца, кобальта и никеля с добавкой некоторых микроэлементов. Чтобы сделать шарик инертным к окружающей среде, его покрывают тонким слоем стекла. Геометрия камер катарометра также имеет большое значение. Камеры бывают проточными, диффузионными и проточно-диффузионными (рис. 4.16). В проточной камере весь газовый поток соприкасается с чувствительным элементом. Детекторы с проточными камерами имеют большую чувствительность и меньшую инерционность, но они наиболее чувствительны к колебаниям потока газа-носителя. В камерах диффузионного типа газовый поток проходит мимо чувствительного элемента; через специальный канал происходит диффузия газовой смеси к элементу. Эти детекторы отличаются небольшой чувствительностью к колебаниям потока газа-носителя, но имеют значительную инерционность. Проточно-диффузионная камера является промежуточной между проточной и диффузионной. В качестве газа-носителя в приборах, оснащенных катарометрами, можно использовать гелий, аргон, азот, водород и др. Наиболее подходящим газом-носителем является водород, теплопроводность которого значительно превышает теплопроводность большинства других газов. Однако в целях техники безопасности чаще применяется гелий, теплопроводность которого также достаточно высока. Недостаток катарометра – низкая чувствительность к горючим газам – устраняется в термохимическом детекторе, который основан на измерении теплового эффекта каталитического окисления горючих компонентов анализируемой смеси на поверхности чувствительного элемента. Так как тепловой эффект сгорания несоизмеримо больше эффекта теплопроводности термохимические детекторы позволяют определять малые содержания горючих компонентов в смеси (10^-3-10^-4% об.) Благодаря чему получил распространение при анализе продуктов горения, газообразного топлива и др. смесей. Конструктивно термохимические детекторы выполняются аналогично катарометрам. В качестве чувствительного элемента применяется платиновая нить, которая одновременно выполняет две функции: катализатора реакции окисления и термометра сопротивления, передающего сигнал изменения температуры.

	а – проточная; б – проточно-диффузионная; в – диффузионная Рисунок 4.16 – Схемы ячеек катарометров

5. Качественный анализ

Качественный состав вещества может быть установлен с помощью хроматографической методики по характеристикам полученной хроматограммы или по результатам анализа компонентов смеси после прохождения хроматографической колонки подходящим химическим или физико-химическим методом. Типичная хроматограмма приведена на рис. 4.17. Как видно, хроматографическое разделение смеси из семи компонентов проведено вполне успешно. Каждому компоненту смеси отвечает свой пик и последовательность появления пиков на хроматограмме закономерна: она соответствует последовательности кислот в гомологическом ряду.

1 – вода; 2 – муравьиная кислота; 3 – уксусная кислота; 4 – пропионовая кислота; 5 – изомасляная кислота; 6 – н-масляная кислота; 7 – изовалериановая кислота

Рисунок 4.17 – Хроматограмма смеси воды и кислот (115°С)

Собственно хроматографический качественный анализ основан на использовании характеристик удерживания – времени удерживания или пропорционального ему удерживаемого объема и индексов удерживания. Для этой цели применяются относительные удерживаемые объемы [см. формулу (4)], которые в значительно меньшей степени, чем абсолютные величины, подвержены действию случайных факторов. Величину относительного удерживания определяют как отношение удерживаемых объемов компонента и вещества, принятого в качестве эталона. Относительное удерживание не зависит от длины колонки и скорости потока, но зависит от температуры колонки и природы неподвижной фазы. Идентификация исследуемых веществ производится сравнением полученных и табличных данных. Условия опыта, естественно, не должны отличаться от тех, в которых были получены табличные данные. Идентификация вещества по его хроматограмме может быть выполнена также методом тестеров, когда сравнивают объем или время удерживания компонента анализируемой смеси и эталона, найденные в одних и тех же условиях опыта. Иногда эталонное вещество, наличие которого предполагается в анализируемой смеси, специально вводят в пробу и сравнивают высоту и площадь пиков на хроматограммах, полученных до и после введения эталона. Увеличение высоты или площади пика рассматривается как указание на присутствие предполагаемого компонента в пробе. Однако этот метод не вполне надежен, так как удерживаемые объемы довольно многих веществ близки между собой. Трудности идентификации преодолеваются, например, хроматографированием пробы на колонках с разными сорбентами. Получение одинаковых результатов при использовании разных сорбентов увеличивает надежность анализа. В настоящее время разработаны и успешно применяются также различные многоступенчатые схемы. В таких схемах, после разделения смеси на первой колонке, полученные фракции подаются на колонки второй ступени, где достигается более тонкое разделение и более точная идентификация вещества, так как имеют дело с более простыми смесями, чем на первой колонке.

В газо-жидкостной хроматографии для качественного анализа часто используют индексы удерживания Ковача І:

,

где -приведенное время удерживания; n – число атомов углерода в алкане; i – определяемое вещество.

Стандартом при определении индекса удерживания являются два соседних нормальных алкана (насыщенных углеводорода) один из которых элюируется до, а второй после исследуемого соединения, т.е. . При программировании температуры индекс удерживания рассчитывается по температуре удерживания T_r:

.

Идентификация вещества по индексу удерживания производится путем хроматографирования соединения с последующим хроматографированием в тех же условиях двух соседних алканов, выбранных в качестве стандарта. Результаты анализа по индексу удерживания оказываются более надежными, чем по удерживаемому объему, так как индекс удерживания является более индивидуальной характеристикой вещества. Индексы удерживания многих веществ при определенных температурах имеются в соответствующих справочных таблицах, что облегчает проведение качественного анализа. Накопленный экспериментальный материал позволил обнаружить некоторые закономерности и установить определенные зависимости между хроматографическими характеристиками и физико-химическими свойствами вещества. Оказалось, например, что индексы удерживания и удерживаемые объемы связаны простой зависимостью с числом атомов углерода у членов гомологического ряда, с температурами кипения гомологов и другими характеристиками и свойствами вещества. Эти зависимости существенно расширяют возможности хроматографии. Соответствующие графики, например, зависимости удерживаемого объема от температуры кипения почти линейны и их широко используют для идентификации компонентов смеси. Если принадлежность компонента к гомологическому ряду известна, то найденная по такому графику температура кипения или другое свойство достаточны для идентификации компонента. Установлено, что индексы удерживания соседних членов в любом гомологическом ряду различаются примерно на 100. Отмечается, что I_T изомеров равна пятикратной разнице их температур кипения, т.е. I_T =5T_кип. Известны и другие закономерности в индексах удерживания.

Эффективным оказалось применение независимой аналитической идентификации продуктов хроматографического разделения и сочетание газовой хроматографии с другими методами исследования: ИК-спектроскопией и масс-спектрометрией, а также использование селективных и последовательно работающих детекторов. Методом масс-спектрометрии можно проводить непрерывный качественный анализ компонентов смеси и для анализа бывает достаточно самых небольших количеств вещества. Такой комбинированный метод получил название хромато-масс-спектрометрии. Возможно использование также методов ядерного магнитного резонанса, пламенной фотометрии, абсорбционной спектроскопии и других, включая химические методы.

5. Количественный анализ

Количественный хроматографический анализ основан на измерении различных параметров пика, зависящих от концентрации хроматографируемых веществ – высоты, ширины, площади и удерживаемого объема – или произведения удерживаемого объема на высоту пика. Обработку хроматограмм удобнее производить по высотам пиков. Однако у кривых зависимости высоты пика от количества вещества линейный участок меньше, чем у кривой площади пика той же зависимости. Высоту пика измеряют по перпендикуляру от нулевой линии до максимума пика (рис. 4.18) независимо от дрейфа нулевой линии. Площадь пика определяют планиметром; вырезанием пика на ленте, взвешиванием пика, переведенного на кальку, либо вырезанием и взвешиванием; приблизительным расчетом площади пика как площади равностороннего треугольника и др.

Н₁; Н₂ - измеренная высота; h - нулевая линия

Рисунок 4.18 – Измерение высоты пика

Специально проведенные исследования показали, что метод измерения пиков по площадям вносит, помимо значительных усложнений, дополнительные погрешности в результаты количественного анализа. В этих исследованиях проверялась воспроизводимость результатов при 15 повторных анализах одной и той же контрольной смеси. Обработка хроматограмм производилась по высотам пиков и по площадям с помощью планиметрирования и методом вырезания и взвешивания. В ходе исследования было показано, что метод планиметрирования площадей дает слишком большие погрешности. При измерении площадей взвешиванием погрешность хотя и уменьшается, но все же превышает в 3 раза погрешность, получаемую при обработке хроматограмм по высотам пиков. Введение дополнительных поправок, учитывающих непостоянство толщины и плотности бумаги, не вносило в результаты анализа существенных улучшений.

Значительные погрешности, получаемые при обработке хроматограмм по площадям пиков, объясняются не только неточностями при вырезании и взвешивании, но и влиянием нестабильности нулевой линии. При обработке хроматограмм по высотам пиков нестабильность нулевой линии оказывает на результат значительно меньшее влияние. Кроме того, при выборе в качестве определяющего параметра площади пика возникают еще погрешности, связанные с неравномерностью движения диаграммной ленты. В случае узких пиков некоторые преимущества имеет измерение произведения удерживаемого объема на высоту пика. При неполном разделении пиков ошибки возрастают из-за наложения и искажения контуров пиков. При работе с такими хроматограммами используют специальные приемы, опирающиеся, главным образом, на измерение высоты пиков.

Для расчета хроматограмм применяют методы внутреннего стандарта (метод метки), внутренней нормализации и абсолютной калибровки.

Метод внутреннего стандарта основан на введении в анализируемую смесь точно известного количества стандартного вещества. В качестве стандартного выбирают вещество, близкое по физико-химическим свойствам к компонентам смеси, но не обязательно являющееся ее компонентом. Калибровочный график представляет собой зависимость между процентным содержанием компонента и отношением высот (или площадей) пиков этого компонента и стандартного вещества. Калибровка производится путем добавления постоянного количества стандартного вещества к определенному объему различных искусственных смесей, содержащих переменные, но известные количества анализируемых компонентов. Составленные таким образом смеси анализируются на хроматографе. При практическом выполнении анализа смеси неизвестного состава к определенному объему пробы добавляется известное количество стандартного вещества и на основании сравнения полученных результатов с калибровочной кривой определяется количественный состав смеси. Если стандартное вещество не входит в состав анализируемой смеси, массовую долю компонента (%) рассчитывают по формуле:

,

где Q_i и Q_ст – параметры пиков анализируемого компонента и стандарта соответственно; r – отношение массы внутреннего стандарта к массе пробы. Основная трудность этого метода заключается в выборе и точной дозировке стандартного вещества. Кроме того, должно быть обеспечено полное его разделение с компонентами пробы. Точность метода возрастает, если количество стандартного вещества, добавляемого к анализируемой смеси, примерно одинаково с количеством определяемого компонента, а физико-химические свойства их близки друг другу.

На практике наиболее часто применяется метод внутренней нормализации. Он основан на предположении, что показания детектора линейны и, следовательно, площади всех пиков, умноженные на соответствующие калибровочные константы, дают в сумме 100%. Доля площади каждого пика соответствует содержанию компонента. Если ввести допущение, что компоненты смеси, взятые в одинаковых количествах, дают одну и ту же площадь пика, т.е. что детектор одинаково чувствителен по отношению к каждому из разделяемых компонентов смеси, то расчет производят по формуле

,

где x_i – процентное содержание i-го компонента;

- сумма площадей всех n пиков хроматограммы.

Если же чувствительность детектора различна по отношению к разным компонентам анализируемой смеси, то в расчетную формулу вводят поправочный коэффициент k_i:

,

где S_м и S_x – площади пиков вещества метки и исследуемого вещества в искусственной смеси. В результате расчет проводят по формуле:

.

В случае использования в качестве детектора катарометра с газом-носителем – гелием или водородом можно пользоваться калибровочными коэффициентами, приводимыми в литературе.

Наиболее точным является метод абсолютной калибровки. В этом методе экспериментально определяют зависимость высоты или площади пика от концентрации вещества и строят градировочные графики. Далее определяют те же характеристики пиков в анализируемой смеси и по градуировочному графику находят концентрацию анализируемого вещества. Это простой и точный метод является основным методом определения микропримесей. Кроме того, метод не требует разделения всех компонентов смеси, а ограничивается лишь теми, определение которых необходимо в данном конкретном случае. Точность метода в значительной степени определяется постоянством режима работы прибора во время проведения анализа. Абсолютную калибровку можно проводить двумя способами:

введением в хроматограф одинаковых количеств смесей разного состава (калибровка по искусственно приготовленным контрольным смесям). В этом случае результаты количественного анализа в основном зависят от точности приготовления контрольных смесей и от воспроизводимости объема пробы и условий ее ввода при калибровке и анализе;

введением в хроматограф неравных количеств одной и той же смеси, в качестве которой можно использовать чистые вещества (калибровка по чистым газам). Основным условием применения такого способа является отсутствие перегрузки разделительной колонки, т.е. обеспечение наиболее полного разделения определяемых компонентов.

5. Практическое применение

Широкое применение и большое значение газовой хроматографии в практике вызвано тем, что с ее помощью можно идентифицировать отдельные компоненты сложных газовых смесей и определять их количественно, выполнение анализа не требует больших затрат времени, и метод является достаточно универсальным. Эффективно используется газовая хроматография в препаративных целях, физико-химических исследованиях и других областях. Методом газовой хроматографии анализируют нефтяные и рудничные газы, воздух, продукцию основной химии и промышленности органического синтеза, нефть и продукты ее переработки, многочисленные металлорганические соединения и т.д. Методы газовой хроматографии пригодны для разделения изотопов некоторых элементов, например водорода. Хроматография газов используется в биологии и медицине, в технологии переработки древесины, в лесохимии и пищевой промышленности, в технологии некоторых высокотемпературных процессов и многих других. Газовая хроматография может быть применена для анализа жидкостей после перевода их в пар в условиях работы хроматографической колонки. Необходимо отметить применение газовой хроматографии для автоматизации производственных процессов. Датчик промышленного хроматографа используется не только как регистрирующий прибор, но и как регулирующее устройство, подающее сигналы непосредственно исполнительным механизмам. Таким образом, промышленный хроматограф может контролировать и регулировать важнейшие параметры технологического процесса: температуру, давление, расход сырья и т.д. Газовая хроматография широко используется также в физико-химических исследованиях. Хроматографическая методика позволяет сравнительно легко определить константу сорбционного равновесия при нескольких температурах и по этим данным рассчитать термодинамические характеристики сорбции: изменение энтальпии и энтропии в этом процессе. Хроматографическим методом определяют также коэффициенты активности, диффузии и другие характеристики вещества, изучают кинетику реакций и т.д. Аналитическая реакционная газовая хроматография применяется для анализа сложных многокомпонентных смесей, определения микропримесей, анализа нелетучих соединений (например, различных полимеров), для элементного анализа и т.д.

Быстрое развитие газовой хроматографии и исключительная разносторонность ее применения потребовали от приборостроительной промышленности большей гибкости в конструировании соответствующей аппаратуры. В связи с этим блочный принцип конструирования оказался наиболее целесообразным. В противоположность другим современным методам анализа, таким, как масс-спектрометрия, ИК-спектроскопия или спектроскопия ядерного резонанса, газовая хроматография обеспечивает наименее трудоемкий путь решения аналитических задач. При всех аппаратурных усовершенствованиях в связи с возрастающей автоматизацией она осталась методом, пригодным для непосредственного использования рядовым химиком-экспериментатором и не требующим группы специалистов для обслуживания приборов.