Газо-жидкостная хроматография

Хроматографический анализ

Газо-жидкостная хроматография

    МетодЭлюент (подвижная фаза)Неподвижная фаза
    ГХ (Газовая абсорбционная) Газы (воздух, аргон, азот, гелий) Неспецифические сорбенты, цеолиты или молекулярные сита
    ГЖХ (газовая распределительная) Газы (воздух, аргон, азот, гелий) Пленки разнополярных жидких сорбентов на твердом носителе
    ЖЖК, ЖАХ, ВЭЖХ (жидкостная сорбционная) Водно-органические растворы и смеси Пленки разнополярных жидких сорбентов на твердом носителе. Цеолиты или молекулярные сита
    Молекулярно-ситовая Полимерные и мономерные растворы Молекулярные сита
    Ионообменная Водные растворы Амфолиты, аниониты, катиониты
    ЖЖК, ЖАХ (плоскостная) Растворители органической и неорганической природы Гидрофобная и гидрофильная бумага

    По агрегатному состоянию элюента хроматографию классифицируют на:

    • Газовую. Ее методы исследования используются для дифференцирования газов на монокомпоненты, определения примесей в воздухе, жидкости, почве, продуктах промышленности. Хроматографический анализ данного типа активно применяется для определения состава лекарственных препаратов и выхлопных газов, а также в сфере криминалистики.
    • Жидкостную. Ее методы эффективны при анализе, очистке и разделении синтетических полимеров, медикаментов, гормонов, белков и прочих биологически важных веществ. Благодаря высокочувствительным детекторам этот способ позволяет работать с малым объемом сложных веществ, что чрезвычайно важно при проведении биологических исследований.

    Газовая хроматография

    Газовая хроматография — это вид хроматографического анализа, где в качестве элюента выступает газообразное вещество или пар. На сегодняшний день выделяют следующие категории:

    • Газоадсорбционная. В этом случае в качестве неподвижной фазы выступает твердое вещество.
    • Газожидкостная. В роли неподвижной фазы выступает жидкость.

    Хроматографический анализ проводится при помощи газового хроматографа. Поступление газа-носителя осуществляется из баллона повышенного давления в блок носителя (здесь же происходит дополнительная очистка газа).

    От исследуемой смеси отбирают пробу, которая при повышенной температуре вводится в газовый поток через резиновую мембрану. Введение пробы возможно также и посредством автоматических систем ввода — самплеров.

    Далее происходит испарение жидкой пробы и перенесение ее в колонку хроматографа потоком газа. Разделение осуществляется при температуре 200–400 градусов, но в ряде случаев возможно дифференцирование при более низких температурных показателях.

    Разделенные в потоке газа компоненты поступают в дифференциальные детекторы, регистратор фиксирует изменения во времени, и на основании полученных данных, вырисовывается хроматограмма.

    Если в исследовании одновременно задействовано несколько детекторов, то можно говорить о возможности комплексного анализа хроматографических зон с двумя и более соединениями.

    Тонкослойная хроматография

    Тонкослойная хроматография или сокращенно — ТСХ — представляет собой хроматографический анализ сложных твердых и жидких смесей, в основе которого лежит разное распределение разделяемых веществ между сорбирующим слоем и подвижной фазой.

    За счет этого вещества за одно и то же время смещаются на разные расстояния. Этот метод отличается повышенной чувствительностью и предоставляет большие возможности для исследования и разделения многокомпонентных смесей.

    В качестве оборудования для проведения анализа посредством ТСХ используется специальный прибор, устройство которого представлено на рисунке.

    Ионообменная хроматография

    Ионообменная хроматография базируется на задержании в неподвижной фазе молекул веществ в результате электростатического взаимодействия разнополярных ионов.

    При проведении исследования ионы анализируемого вещества начинают конкурировать с ионами элюента, стремясь к взаимодействию с сорбентами, которые заряжены противоположно.

    Это значит, что данный метод подходит для анализа любых смесей, которые могут быть ионизированы.

    Газожидкостная хроматография

    В основе газожидкостной хроматографии (ГЖХ) лежит физико-химическое разделение вещества, которое находится в газовой фазе и проходит вдоль нанесенной на твердый сорбент нелетучей жидкости. Такая хроматографическая методика сегодня считается наиболее перспективной.

    Перспективность данного хроматографического метода обусловлена возможностью исследования близких по составу компонентов сложной смеси, даже если их температура кипения отличается на десятые доли градуса. На проведение анализа обычно требуется небольшое количество вещества и всего несколько минут.

    Для исследования смеси методом газожидкостной хроматографии применяется современный хроматограф, схематичное устройство которого представлено на рисунке ниже.

    Обозначения:

    1 — баллон с газом-носителем; 2 — блок стабилизации потока газа; 3 — аналитический блок (колонки, термостат и ротаметр); 4 — детектор; 5 — усилитель;

    6 — потенциометр-самописец;

    7 — блок программированного изменения температуры колонки.

    Качественный и количественный анализ газа

    Хроматографический анализ газа — это процесс исследования газовых смесей на предмет количества содержащихся в них компонентов и их качественных характеристик. Чаще всего комплексный анализ газовых веществ удобнее и эффективнее проводить методом газожидкостной хроматографии.

    Такая хроматографическая методика особенно актуальна в сфере контроля технологических параметров продуктов газовой, химической и нефтехимической промышленности, а также при проведении поиска месторождений нефти и газа.

    В ряде случаев хроматографический анализ газа применяется для идентификации взрывоопасных, токсичных или легковоспламеняющихся веществ в воздухе промышленного помещения.

ОФС.1.2.1.2.0004.15 Газовая хроматография

Газо-жидкостная хроматография

ОБЩАЯ ФАРМАКОПЕЙНАЯ СТАТЬЯ

Взамен  ст.  ГФ XI

Газовая хроматография – это метод разделения летучих соединений, основанный на различии в распределении компонентов анализируемой смеси в системе несмешивающихся и движущихся относительно друг друга фаз, где в качестве подвижной фазы выступает газ (газ-носитель), а в качестве неподвижной фазы — твердый сорбент или жидкость, нанесенная на твердый носитель или внутренние стенки колонки.

Область применения

В фармацевтическом анализе газовая хроматография используется для оценки чистоты, установления подлинности и количественного определения лекарственных средств в тестах «Посторонние примеси», «Однородность дозирования», «Растворение», «Количественное определение», «Остаточные органические растворители» и др.

Оборудование

Газовый хроматограф состоит из устройства ввода пробы (инжектора), термостата с хроматографической колонкой, детектора и системы сбора и обработки данных. Газ-носитель из баллона под давлением проходит через устройство ввода пробы, колонку, а затем через детектор.

Хроматографирование проводится при постоянной температуре или в соответствии с заданной температурной программой.

Устройство ввода пробы

Ввод жидкой пробы осуществляется с помощью шприца, как непосредственно в колонку, так и в испарительную камеру, которая может быть оснащена делителем потока.

Ввод газовой фазы осуществляется с помощью оборудования для статического или динамического парофазного анализа. Парофазный анализ (head-space) позволяет повысить чувствительность определения летучих соединений.

В  статическом парофазном  анализе  в термостатируемую камеру помещается  герметично закрытый сосуд, содержащий твердый или жидкий образец пробы, и нагревается в течение определенного периода времени для достижения равновесия между двумя  фазами.  После  достижения  равновесия  из  сосуда  отбирается определенный  объем  газовой  фазы  и  вводится  в  испаритель хроматографа.

В динамическом парофазном анализе (стриппинг) через образец пробы в течение определенного времени пропускается  инертный  газ. Летучие  компоненты  выдуваются  из  образца  пробы и концентрируются на сорбенте, находящемся в ловушке. После этого ловушка быстро нагревается, и  летучие  компоненты  переносятся  потоком  инертного  газа  в  хроматографическую колонку.

Колонки

Используются несколько типов аналитических колонок: насадочные (набивные), микронасадочные, капиллярные, поликапиллярные.

Насадочные колонки изготавливаются из металла (нержавеющая сталь), стекла, фторопласта, которым придается спиральная форма. Внутренний диаметр насадочных колонок составляет от 2 до 4 мм, а длина – от 0,5 до 4-5 м.

Скорость газа-носителя может устанавливаться в пределах от 10 до 60 мл/мин.

Микронасадочные колонки отличаются от насадочных колонок только диаметром трубок, равным 0,5-1,0 мм. Длина таких колонок обычно от 0,5 до 2 м.

Капиллярные колонки изготавливаются из плавленого кварца или металла. Внутренний диаметр составляет от 0,10 мм до 0,53 мм, длина от 5 м до 200 м, толщина неподвижной жидкой фазы от 0,1 мкм до 5,0 мкм

Скорость газа-носителя  может устанавливаться в пределах от 1 до 5 мл/мин.

Поликапиллярные колонки представляют собой пакеты параллельно работающих капилляров,  внутренний диаметр которых составляет около 40 мкм, длина до 1м, общим числом до 1000 и более.

Неподвижные фазы

Газовую хроматографию можно подразделить на два вида: газоадсорбционную и газожидкостную хроматографии. В фармацевтическом анализе наибольшее распространение находит газожидкостная хроматография.

В газоадсорбционной хроматографии в качестве сорбентов (адсорбентов) используются неорганические (силикагель – Сферосил, Порасил, Силихром и др.; графитированная термическая сажа – Карбопак С и В, Карбосив, Карбосфер; молекулярные сита – алюмосиликаты натрия и кальция) и полимерные пористые сорбенты.

В газожидкостной хроматографии неподвижная фаза (абсорбент) представляет собой жидкость, нанесенную на твердый носитель.

Носитель – относительно инертный адсорбент с низкой удельной поверхностью, на которой должна удерживаться неподвижная фаза в виде пленки равномерной толщины. Применяют минеральные и полимерные носители.

Большинство минеральных носителей представляют собой переработанные диатомиты. Обычно используются носители с размерами частиц в интервалах от 125 до 150 мкм или от 150 до 180 мкм.

В капиллярных колонках слой сорбента наносится на внутреннюю поверхность капилляра в виде слоя жидкой неподвижной фазы или в виде слоя адсорбента, роль которого чаще всего выполняет полимерная пленка.

Подвижная фаза

В качестве подвижной фазы используются азот, гелий, аргон или водород. Эти газы-носители могут подаваться в систему либо из баллонов, либо из газогенераторов, позволяющих получать газ высокой чистоты.

Детекторы

Для газовой хроматографии предложено большое количество детекторов: пламенно-ионизационный детектор (ПИД), детектор по теплопроводности (катарометр), термоионный (ТИД), электронно-захватный (ЭЗД), масс-спектрометрический и др.

Выбор детектора определяется основными характеристиками (чувствительность, предел детектирования, линейность, быстродействие и селективность), которые в наибольшей степени соответствуют цели анализа и условиям его проведения.

В силу универсальности, превосходных характеристик и высоких эксплуатационных качеств, наибольшее распространение в анализе лекарственных средств получили пламенно-ионизационный детектор и детектор по теплопроводности.

Метод

Анализ в газовой хроматографии проводится в соответствии с установленными параметрами хроматографической системы. Совокупность этих параметров называется методом.

В описании метода должны быть указаны: тип детектора, тип колонки (насадочная или капиллярная), материал и геометрические параметры колонки, сорбент (тип твердого носителя и его характеристики, неподвижная жидкая фаза и ее количество), метод введения пробы и его параметры, температура испарителя, колонки и детектора, газ-носитель и его расход.

Оценка хроматографического разделения проводится на основании теста пригодности хроматографической системы приведенного в фармакопейной статье.

Для достижения соответствия требованиям пригодности хроматографической системы возможно изменение некоторых параметров в установленных пределах, указанных в ОФС «Хроматография».

Скачать в PDF ОФС.1.2.1.2.0004.15 Газовая хроматография

Хроматография. Лекция 5. Газовая хроматография

Газо-жидкостная хроматография

Газовая хроматография (ГХ) – метод разделения летучих соединений, в котором подвижной фазой является газ.

  • ПФ – газ носитель (инертный газ: гелий)
  • НФ – твердый сорбент с большой удельной поверхностью
  • только для аналитических целей и только в колонке

Разновидности газовой хроматографии

  1. газо-твердофазная (газо-адсорбционная)
  2. газо-жидкостная

Требования к веществам для газовой хроматографии

  • летучесть (или предварительный перевод в летучие производные)
  • инертность
  • термическая устойчивость (до 350)
  • молярная масса до 400

Достоинства газовой хроматографии

  • один из наиболее распространенных методов анализа
  • неразрушающий метод анализа
  • высокая разрешающая способность
  • низкий предел обнаружения
  • высокая чувствительность
  • экспрессность
  • точность
  • совместимость с большим типом детекторов

Газо-адсорбционная хроматография

Газо-адсорбционная хроматография (ГАХ) – адсорбционная хроматография.
Разделение в газо-адсорбционной хроматографии достигается за счет различной адсорбции на НФ.

Неподвижная фаза

НФ определяет селективность.

Типы НФ

  1. Твердые адсорбенты
  2. Жидкости на твердом носителе
  3. Химически связанные жидкие фазы

Особые требования к адсорбентам в ГАХ

  • высокая удельная поверхность
  • отсутствие каталитической активности
  • химическая инертность
  • малая летучесть
  • термическая устойчивость
  • физическая сорбция хроматографируемых соединений
  • однородность структуры

Применение газо-адсорбционной хроматографии

  • анализ газов
  • анализ низкомолекулярных веществ (не должные содержать активных функциональных групп)
  • определение воды в неорганических и органических материалах, анализ
  • анализ летучих гидридов металлов

Преимущества и недостатки газо-адсорбционной хроматографии

Преимущества:

  • большое время жизни колонок
  • возможность разделения стереоизомеров, неорганических газов и других смесей соединений, которые проблематично хроматографировать другими методами

Недостатки:

  • сильное удерживание полярных и высококипящих веществ ⇒ большое время анализа, низкие, широкие пики
  • возможность протекания каталитических процессов на поверхности сорбента
  • сложность получения однородных сорбентов ⇒ плохая воспроизводимость времен удерживания, асимметричность хроматографических пиков

Газо-жидкостная хроматография

ГЖХ – распределительная хроматография.НФ – высокомолекулярная жидкость, нанесенная на твердый носитель.Разделение достигается за счет различной растворимости компонентов образца в ПФ и НФ.

Наиболее распространенный метод аналитической ГХ.

Решающий фактор – селективная абсорбция компонентов смеси неподвижной жидкой фазой (абсорбентом).Абсорбция сводится к избирательному растворению газа или пара хроматографируемого вещества пленкой жидкости (НФ).

Насадочная колонка, либо по внутренней поверхности тонкого капилляра (капиллярная колонка).

Требования к жидкой фазе

  1. должна хорошо растворять компоненты смеси
  2. инертность
  3. малая летучесть (чтобы не испарялась при рабочей температуре колонки)
  4. термическая устойчивость
  5. высокая селективность
  6. небольшая вязкость (иначе замедляется процесс диффузии)
  7. способность образовывать при нанесении на носитель равномерную пленку, прочно с ним связанную

Вещества, используемые в качестве жидкой фазы:

  • Неполярные парафины (сквалан)
  • вазелиновое масло, апиезоны
  • кремнийорганические полимеры
  • карборансиликоновые жидкие фазы (самые термостабильные)
  • умеренно полярные жидкости, полярные (гидроксиламины, полиэтиленгликоли (карбоваксы))

Носители НЖФ

Применяются те же сорбенты, используемые в других видах хроматографии.
Главное назначение — удержание пленки НЖФ.

Требования к НЖФ:

  • умеренная удельная поверхность
  • прочность
  • изопористость
  • низкая пористость, неглубокие поры – избежать застойных явлений, чтобы вещество не задерживалось
  • химическая инертность (минимизировать адсорбцию на границе газ-носитель)
  • термическая устойчивость

Химически связанные НФ

Получают химической модификацией поверхности твердого носителя (обычно силикагеля) для обеспечения более хорошей связи, для предотвращения испарения жидкости при высокой температуре, повышения термостойкости.

Преимущества:

  • возможность нанести более тонкий и равномерный слой на носитель (по сравнению с жидкой фазой)
  • высокая эффективность
  • высокая термическая устойчивость
  • высокая устойчивость к растворителям (предотвращается смыв НФ с носителя, возможность регенерации)

Подвижная фаза

Газы-носители: Ar, He, H2, N2

Параметры, на которые влияет газ-носитель:

  • эффективность системы – низкомолекулярные газы (He, H2) имеют большие коэффициенты диффузии, поэтому обеспечивают эффективное и быстрое разделение
  • устойчивость ПФ и НФ – не инертные газы (H2, O2) способны взаимодействовать с веществами и материалами деталей хроматографа
  • сигнал детектора – некоторые детекторы требуют использования специальных газов

Газ-носитель не оказывает влияния на селективность (удерживание).

Основная характеристика – линейная скорость потока газа-носителя. Измеряется на выходе из колонки (мл/мин).

Газовый хроматограф

Принципиальная схема газового хроматографа1

  1. баллон с газом-носителем
  2. блок подготовки газа с регулятором скорости потока
  3. инжектор (испаритель)
  4. хроматографическая колонка с термостатом
  5. детектор
  6. регистрирующее устройство

Промышленные хроматографы

  1. Автоматические – контроль производственных процессов: производство легких бензинов, синтетического каучука, полимеров, аммиака, формалина (контроль за реакцией)
  2. Для препаративных целей

Блок подготовки газа-носителя

Разная оптимальная скорость потока для разных газов, обусловленная разницей в коэффициентах диффузии.

Инжектор

  • Инжектор обеспечивает точный, количественный отбор пробы.

  • Газовые пробы вводят шприцами или с помощью петли постоянного объема, жидкие вводят инъекционными шприцами в непрерывно движущийся поток газа-носителя.

  • Температура инжектора выдерживается на 20-50 выше, чем в колонке.
  • Инжектор может быть оборудован делителем потока для обеспечения дополнительного дозирования.

Колонки

Насадочные (набивные) – заполненные неподвижной фазой колонки из стекла или стали в форме спирали (1-5 м, диаметр 5-10 мм).

Капиллярные – кварцевые капилляры (длина 10-100 м, внутренний диаметр 100-500 мкм), на стенки которого нанесена жидкая фаза.

  • высокая эффективность
  • носитель (насадка) не используется

Предколонки (форколонки)

  • ставятся перед основной колонкой
  • меньше основной колонки по размеру

Задачи:

  1. концентрирование пробы из большого объема
  2. для защиты и предохранения основной колонки от гидроудара (из-за перепада давления)
  3. фильтрация от нелетучих примесей

Температура колонки

Факторы, определяющие температуру:

  • летучесть пробы
  • рабочий диапазоном температур колонки

Выбор температуры колонки сводится к достижению оптимального соотношения между скоростью хроматографического анализа, разрешающей способностью и чувствительностью.

Градиентное хроматографирование — изменение температуры (ступенчатое или линейное) в процессе хроматографии. Разделение сложной смеси компонентов путем варьирования температуры.

Градиентное изменение температуры является одним из способов решения основной проблемы хроматографии – уширение пика в процессе контакта с сорбентом. При изотерме пики уширяются со временем, при градиентном хроматографировании пики одинаково узкие.

Детекторы

Задача: регистрирование изменения физико-химических показателей.

Выбор детектора определяется природой хроматографируемых соединений, целями хроматографии, концентрацией веществ.

По виду зависимости сигнала детектора от скорости подвижной фазы

  1. Интегральные (практически не используюся)
  2. Дифференциальные:

1) концентрационные – сигнал пропорционален концентрации, высота пика не меняется, площадь меняется

2) потоковые – сигнал пропорционален количеству вещества, высота пика меняется, площадь не меняется

Зависимость сигнала детектора от скорости потока ПФ

Диапазон линейности детектора – важная характеристика детектора, диапазон, в котором зависимость сигнала детектора от скорости потока ПФ остается лиейной.

По деструктивной способности

  1. Деструктивные – в процессе детектирования вещество разрушается, не подходят для препаративной хроматографии
  2. Недеструктивные

По чувствительности

  1. с низкой чувствительностью (детектор по теплопроводности, детектор сечения ионизации)
  2. высокочувствительные (ионизационные детекторы)

Иногда используют последовательно несколько детекторов для увеличения чувствительности.

По селективности

  1. Универсальные
  2. Селективные (более чувствительные)

Некоторые виды детекторов газовой хроматографии

Детектор Принцип работы Преимущества Недостатки

Детектор по теплопроводности (катарометр)

основан на изменении сопротивления нагретой проволоки (W, Pt, Ni)

мост Уинстона, 4 спирали с высоким термическим сопротивлением

чем больше теплопроводность газа-носителя, тем больше чувствительность (очень высокую теплопроводность имеет водород, но его не используют ввиду взрывоопасности, а используют гелий)

  • недеструктивный
  • универсальный
  • позволяет проводить анализ газов
  • совместим с другими детекторами
  • требуется газ высокой степени очистки – 99,999% (А)
  • чувствителен к изменению скорости газа носителя (поэтому устанавливают постоянную скорость)

Для повышения чувствительности катарометра перед ним устанавливают конвектор.

Углекислотный конвектор — органические вещества сжигаются на оксиде меди II, и сигнал становится пропорционален количеству вещества и количеству атомов углерода.
Водородный конвектор – газом носителем выступает азот, органические вещества переводят в воду.
Метановый конвектор – газом носителем выступает водород.

Пламенно-ионизационный детектор

изменение сопротивления при сжигании образца

деструктивный метод – водородное пламя сжигает вещество , образуются ионы, сила тока увеличивается, сопротивление уменьшается

чувствительность пропорциональна числу атомов углерода (ацил катионы, CHO+)

  • универсальный
  • газ-носитель не дает сигнал
  • низкий предел обнаружения
  • линейный динамический диапазон шире, чем у катарометра
  • чувствителен к изменению скорости газа-носителя
  • нельзя определять неорганические газы

Термоионный детектор

стержень из соли щелочного металла

эмиссия увеличивает ток

  • высокочувствителен к соединения содержащими анионобразующие элементы (серу, мышьяк, фосфор, кислород, галогены)
  • анализ гербицидов, пестицидов, удобрений

Электронно-захватный детектор (ECD)

захват медленных электронов электроотрицательными атомами в молекуле – достраивание электронной оболочки элементов до октета убывание ионного тока

  • низкий предел обнаружения
  • анализ галоген-, серо-, нитросодержащих соединений
  • анализ экотоксикантов, лекарственных средств, взрывчатых веществ

нечувствителен к углеводородам, спиртам

Гелиевый и аргоновый ионизационные детекторы

радиоактивный источник (тритий, стронций 90)

определение газов

Термохимический детектор

каталитическое окисление вещества на поверхности платиновой нити

измерение тепового эффекта сжигания

используется воздух

выделябщееся тепло повышает температуру нити (по аналогии с ПИД)

для горючих веществ

  • отравление катаизатора – необходимо регулярно калибровать
  • трудно предсказуемая зависимость величины сигнала от степени окисления атомов углерода

Масс-селективный (масс-спектрометрический)

радиоактивный

для соединений, содержащих галогены, нитро-группы

Поделиться:
Нет комментариев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

×
Рекомендуем посмотреть