- Газовая хроматография
- 2.5. Неподвижные жидкие фазы
- 2.5.1. Классификация неподвижных жидких фаз
- 2.6. Твердый носитель
- 2.6.1. Природа твердого носителя
- 2.6.2. Модифицирование твердых носителей
- 2.6.3. Плотность набивки колонки
- 2.7. Аппаратура
- 2.7.1. Система подготовки газов
- 2.7.2. Дозирующие устройства
- 2.7.3. Детекторы
- ОФС.1.2.1.2.0004.15 Газовая хроматография
- Область применения
- Оборудование
- Устройство ввода пробы
- Колонки
- Неподвижные фазы
- Подвижная фаза
- Детекторы
- Метод
- 5.Влияние температуры
- 6. Аналитическая реакционная газовая хроматография
- 7.Аппаратурное оформление процесса
- Хроматография. Лекция 5. Газовая хроматография
- Газо-адсорбционная хроматография
- Неподвижная фаза
- Применение газо-адсорбционной хроматографии
- Преимущества и недостатки газо-адсорбционной хроматографии
- Газо-жидкостная хроматография
- Требования к жидкой фазе
- Вещества, используемые в качестве жидкой фазы:
- Носители НЖФ
- Подвижная фаза
- Газовый хроматограф
- Блок подготовки газа-носителя
- Инжектор
- Колонки
- Предколонки (форколонки)
- Температура колонки
- Детекторы
- По виду зависимости сигнала детектора от скорости подвижной фазы
- По деструктивной способности
- По чувствительности
- По селективности
- Некоторые виды детекторов газовой хроматографии
Газовая хроматография
Газ-носитель должен быть инертен по отношению к разделяемым веществам и сорбенту. В связи с этим не рекомендуется, например, использовать водород для элюирования ненасыщенных соединений в условиях, допускающих возможность гидрирования.
Вязкость газа-носителя должна быть как можно меньше, чтобы поддерживался небольшой перепад давлений в колонке. Коэффициент диффузии компонента в газе-носителе должен иметь оптимальное значение, определяемое механизмом размытия полосы.
Следует иметь в виду, что в ряде случаев последние два условия противоречат друг другу, и выбор элюента определяется конкретной задачей анализа. Газ-носитель должен обеспечивать высокую чувствительность детектора.
Поскольку в ходе хроматографического процесса расходуется значительное количество газа-носителя, необходимо, чтобы он был вполне доступен. Газ-носитель должен быть взрывобезопасен; выполнение этого требования особенно важно при использовании хроматографа непосредственно на технологической установке. [3]
Газ-носитель должен быть достаточно чистым (это условие особенно важно при анализе примесей). В подавляющем большинстве случаев применяются газы, сжатые до давления 15 МПа и содержащиеся в баллонах емкостью 40 л.
В случаях, когда невозможно или трудно транспортировать стальные баллоны с газами, применяются электролитические или химические генераторы водорода, кислорода, углекислого газа и др.
[attention type=yellow]Если в качестве газа-носителя необходимо использовать водяной пар, то его следует получать кипячением дистиллированной воды при заданной температуре непосредственно в приборе.
[/attention]Аргон обычно поставляют достаточно чистым, и поэтому он не нуждается в дополнительной очистке. Применять аргон в качестве газа-носителя выгодно, поскольку он не взрывоопасен и сравнительно дешев.
Ламповый азот, применяемый в хроматографии, имеет степень чистоты, равную 99,99% поэтому он также не нуждается в дополнительной очистке. То же относится и к гелию: в случае использования детектора по теплопроводности или пламенно-ионизационного детектора этот газ не нужно дополнительно очищать.
Однако в случае применения гелиевого ионизационного детектора газ не должен содержать даже следов примесей.
Электролитический водород удобен для хроматографии и также поставляется в баллонах или генерируется непосредственно в лабораторном электролизере. Степень его чистоты обычно равна 99.8%, что вполне достаточно для рутинной работы.
При более высоких требованиях, предъявляемых к чистоте, водород необходимо освобождать от остатков кислорода и от влаги. Из-за очень низкой вязкости водорода перед началом работы необходимо проверить все соединения и полностью устранить все неплотности.
В качестве газа-носителя водород рекомендуется применять до температуры 250°С, а в случае работы при более высоких температурах этот газ лучше заменить гелием.
Что касается вспомогательных газов, то кислород и воздух обычно подвергают дополнительной сушке; если воздух отбирается из компрессора, то на его пути устанавливают еще и фильтр для улавливания компрессорного масла. Технический углекислый газ также содержит большое количество масла, а иногда и следы метана.
2.5. Неподвижные жидкие фазы
Неподвижная жидкая фаза — это фаза, определяющая селективные взаимодействия между компонентами пробы и твердым носителем, т.е.
определяет последовательность выхода из колонки и отношение времен удерживания максимумов их зон, а также характер размывания хроматографических зон.
[2] Выбор неподвижной жидкой фазы может оказаться наиболее важным шагом для получения требуемых хроматографических данных.При выборе НЖФ принимаются во внимание следующие свойства:
− химическая стойкость и инертность;
− низкое давление пара при температуре колонки;
− достаточные коэффициенты разделения;
− достаточная селективность по отношению к компонентам пробы, которые должны быть разделены;
− низкая вязкость;
− хорошая растворимость в каком-либо летучем растворителе;
− доступность.
2.5.1. Классификация неподвижных жидких фаз
Поскольку нет единого параметра, с помощью которого можно было бы описать характеристики удерживания жидкой фазы, для классификации различных неподвижных жидких фаз используют понятие полярности. На практике полярные и неполярные фазы, а также фазы промежуточной полярности различаются без придания точного значения этим выражениям.
Вообще говоря, чем больше полярность жидкой фазы, тем больше удерживание полярного растворенного вещества по сравнению с неполярным, имеющим одну и ту же температуру кипения. Полярность неподвижной жидкой фазы связана со степенью полярности полярных или поляризуемых функциональных групп и отношением таких групп к молекуле растворенного вещества.
Неподвижные фазы классифицируют по характеру межмолекулярного взаимодействия фаза−вещество (табл. 2).
I тип | II тип | III тип |
Неполярные насыщенные (возможны толькодисперсионные взаимодействия) | Полярные с локально кон-центрированными отрицательными зарядами, π-связями, свободными электронными парами при атомах N и О (доноры электронов) | Полярные с локальноконцентрированнымиположительными иотрицательными за-рядами (акцепторы идоноры электронов) |
АпиезоныПарафиновое маслоСквалан | АдипинатыНитрилыНитрилоэфирыПолифенилыСкваланСтеаратыФталаты | ГидроксиламиныГликолиГлицеринДиглицеринИнозитСорбитПолиэтиленгликоли |
Не меньшее значение оказывает количество неподвижной фазы и метод ее нанесения. Как правило, количество НЖФ составляет 5−40 г на 100 г твердого носителя. При этом необходимо учитывать температуру кипения анализируемых веществ. Для легкокипящих веществ содержание НЖФ составляет 15−25%, для тяжелых сорбатов — 2−5%.[2]
Среди методов нанесения можно отметить метод испарения, когда НЖФ растворяют в летучем растворителе (ацетоне, метаноле, петролейном эфире), засыпают в раствор носитель и, осторожно нагревая, испаряют растворитель.
[attention type=red]Метод фильтрации применяют в тех случаях, когда раствор неподвижной фазы в выбранном растворителе имеет невысокую вязкость.
[/attention]Этот раствор определенной концентрации смешивается с твердым носителем и избыток раствора отфильтровывается, а обработанный носитель высушивают на воздухе, при использовании фильтрационного метода обеспечивается равномерное нанесение жидкости на носитель[3]. Так же используется фронтальный метод [4] и противоточный метод [5].
2.6. Твердый носитель
Основное назначение твердого носителя в хроматографической колонке — обеспечить наиболее эффективное использование неподвижной жидкости.
В связи с этим носитель должен обладать следующими свойствами: 1) значительной удельной поверхностью, позволяющей нанести жидкость в виде тонкой пленки и не допускающей ее перемещения под действием силы тяжести или по другим причинам; 2) малой адсорбционной способностью по отношению к разделяемым веществам; 3) отсутствием каталитической активности, химической инертностью; 4) достаточной механической прочностью, так как в процессе подготовки сорбента и заполнения колонки частицы носителя истираются; 5) способностью к равномерному заполнению колонки; 6) стабильностью при повышенных температурах; 7) смачиваемостью поверхности нанесенной на нее неподвижной жидкостью[3].
2.6.1. Природа твердого носителя
Хотя ни один материал-носитель не удовлетворяет всем этим критериям, имеется большое число специально обработанных носителей, которые дают удовлетворительные результаты. Товарные типы носителей поставляются уже просеянными и обработанными, и размер их зерен чаще всего составляет около 0,1 мм. С химической точки зрения носители можно разделить на две группы.
а) Для силикатных носителей используют чистые диатомитовые земли (кизельгур) называемые еще цеолитом 545 — остатки одноклеточных организмов (диатомей), имеющие пористую структуру (удельной поверхностью Sуд=20 м2/г).
б) Носители из графитированной сажи находят применение при решении специальных аналитических задач (например, при разделении серосодержащих и кислых газов).
Кроме природных материалов в качестве твердых носителей применяют полимерные материалы.[2] Существует два типа полимерных твердых носителей:
− полихром-1 или 2 (Россия), Тефлон-6 (США);
− полисорб-1 (Россия), Хромосорб-100−110 (США).
Оба эти сорбента обладают невысокой максимально допустимой рабочей температурой (220 и 170°С, соответственно), малой механической прочностью (особенно полихром-1, легкосминаемый) и высокой электризуемостью.
Недостатками полимерных твердых носителей являются:
— плохая смачиваемость;
— сильная электризуемость;
— невысокая прочность;
— низкая максимально допустимая рабочая температура (обычно не выше 165 − 200°С);
— небольшое количество наносимой НЖФ (около 10%).
2.6.2. Модифицирование твердых носителей
Чтобы устранить или, по крайней мере, уменьшить присущую большинству твердых носителей нежелательную активность, применяют различные методы:
1. Химическое модифицирование твердых носителей:
а) промывка минеральными кислотами (кипячение с НCl или Н3PO4) используется для понижения каталитических свойств (маркировка: хроматон-N-AW); применяют при анализе кислот;
б) промывка щелочами позволяет нейтрализовать кислотные свойства поверхности (маркировка: хроматон-N-ABW); используют при анализе основных соединений.
[attention type=green]в) обработка хлорсиланами или силазанами позволяет дезактивировать высокоактивные гидроксильные группы на поверхности твердого носителя (маркировка: хроматон-N-AW-ДМХС);
[/attention]г) введение алкильных групп;
д) нанесение НЖФ с последующей ее полимеризацией непосредственно на твердом носителе.
2. Физическое модифицирование твердых носителей:
а) насыщение анализируемым веществом;
б) нанесение других сильнополярных веществ на поверхность;
в) нанесение слоя смолы;
г) покрытие благородным металлом.
Путем подбора размера зерен сорбента можно в несколько раз увеличить эффективность колонки. Увеличение эффективности при уменьшении размера зерен объясняется уменьшением размеров пустых полостей.
Вследствие этого увеличивается неравномерность потока газа-носителя по сечению и путь внешней диффузии.
Но чрезмерно мелкий сорбент увеличивает гидравлическое сопротивление, комкование и слипание частиц.
Для сортировки носителя используют метод седиментации частиц или просеивание через сита. Для колонки диаметром 3−4 мм оптимальным считается размер частиц 0,1−0,2 мм (иногда мельче). Фракция должна быть более узкой, т.к. от этого зависит равномерность потока газа-носителя.
2.6.3. Плотность набивки колонки
На четкость хроматографического разделения веществ влияет плотность набивки, от которой зависит гидравлическое сопротивление и доля свободного объема колонки. Универсальных рецептов нет. Плотность набивки должна быть такой, чтобы при оптимальной скорости потока газа-носителя давление на выходе было не слишком велико.[2]
2.7. Аппаратура
Успех применения газовой хроматографии зависит не только от правильного выбора сорбента и условий работы, но не в меньшей степени и от конструктивных и метрологических особенностей аппаратуры.
Современный газовый хроматограф представляет собой комплекс узлов, каждый из которых выполняет определенную функцию в процессе исследования, начинающегося подготовкой и вводом пробы и заканчивающегося регистрацией определяемых компонентов, а во многих случаях — выдачей окончательных данных по качественному и количественному составу анализируемого продукта.[3]
2.7.1. Система подготовки газов
Система подготовки газов предназначена для:
1) установки скорости газа-носителя и вспомогательных газов;
2) стабилизации скорости, давления и расхода газов;
3) очистки газов.
Основными элементами этой системы являются дроссель, регулятор давления и регулятор расхода.[2]
2.7.2. Дозирующие устройства
Дозатор является составной частью хроматографа, которая позволяет вводить пробу в поток газа-носителя. Сначала отмеряют объем или массу пробы, а затем вводят ее в пространство, в котором поддерживается заданная температура и через которое проходит газ-носитель. Конструкция дозатора должна решаться с таким расчетом, чтобы:
1) вносимая проба занимала минимальный объем колонки и не вызывала перегрузки колонки, и с учетом чувствительности детектора;
2) проба быстро переходила в газообразное состояние и поступала в колонку, не изменяя своего состава;
[attention type=yellow]3) данные по временам удерживания воспроизводились с точностью до десятой доли процента, а площади пиков изменялись с отклонением менее 1%;
[/attention]4) разделяющая способность колонки не ухудшалась;
5) введение пробы не вызывало изменения установившегося режима работы систем хроматографа (зашкаливание нулевой линии, резкое изменение давления газа-носителя и температуры дозатора).
2.7.3. Детекторы
Детектор хроматографа представляет собой прибор, позволяющий фиксировать какое-либо физико-химическое свойство бинарной смеси, определяемое ее составом.
Таким образом, хроматографическая колонка является подготовительным устройством, превращающим сложную анализируемую систему в последовательность бинарных смесей газа-носителя с одним из анализируемых компонентов (если не рассматривать случаев неполного разделения).
Поскольку концентрация компонентов, особенно плохо сорбирующихся, в элюате изменяется очень быстро, детектор должен обладать малой инерционностью. В противном случае легколетучие вещества, даже разделенные на колонке, могут регистрироваться в виде одного пика (если расстояние между максимумами меньше величины, характеризующей инерционность детектора).[3]
ОФС.1.2.1.2.0004.15 Газовая 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.
[attention type=red]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
[/attention]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.
[attention type=green]Для достижения соответствия требованиям пригодности хроматографической системы возможно изменение некоторых параметров в установленных пределах, указанных в ОФС «Хроматография».
[/attention]Скачать в PDF ОФС.1.2.1.2.0004.15 Газовая хроматография
5.Влияние температуры
Температура оказывает существенное влияние на хроматографический процесс. Изменение температуры вызывает изменение элюационных и других характеристик: удерживаемого объема, коэффициента Генри и т.д. Зависимость удельного удерживаемого объема Vm от температуры Т передается уравнением
lg Vm= — ∆Hº/(2,3RT) + ∆Sº/(2,3R)- lgА (5.1)
где ∆Hº и ∆Sº — изменение стандартных энтальпии и энтропии при адсорбции соответственно; А – коэффициент пропорциональности между Г и Vm.
Так как обычно ∆Hº < 0, с повышением температуры величина удерживаемого объема уменьшается, что приводит к сокращению длительности анализа и может вызвать изменение порядка выхода компонентов из колонки.
При понижении температуры длительность анализа увеличивается, но при этом уменьшается степень разделения. Низкие температуры используются, например, в процессах разделения изотопов водорода.
Хроматографирование таких систем производится при температурах жидкого азота (-196 ºС).
При выборе оптимальной температуры хроматографирования приходится учитывать, таким образом, несколько факторов, нередко действующих в противоположных направлениях. Выбранная оптимальная температура является важной особенностью хроматографической методики и для поддержания температурного режима хроматографическую колонку помещяют в термостат.
Однако газовая хроматография может проводиться не только при постоянной температуре, но и в условиях программированного изменения температуры.
[attention type=yellow]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.
[/attention]Если, например, основную часть смеси составляют легкокипящие компоненты, целесообразно прменять метод нелинейного программирования температуры: вначале температуру повышать медленно, а затем этот процесс ускорить.
Изменение температуры открывает новые возможности в разработку хроматографических методов анализа. В методе стационарной хроматермографии разделяемая смесь подвергается действию переменного температурного поля.
При осуществлении этой методики электрическая печь движется вдоль колонки в одном направлении с движением газа-носителя.
Если скорость движения полосы адсорбированного газа превышает скорость движения температурного поля, то полоса из высокотемпературной зоны попадает в низкотемпературную и ее скорость движения замедляется. Но при замедлении движения зона оказывается в области высоких температур и ее скорость увеличивается.
Таким образом, в некоторой температурной области скорости движения полосы газа и печи становятся одинаковыми. Температуру, при которой это происходит, называют характеристической Тхар. Она связана с энтальпией адсорбции ∆H и условиями хроматографического опыта соотношением
Тхар= ∆H/(RlnA ω/U) (5.2)
Где ω – скорость движения температурного поля; U – линейная скорость газа-носителя.
При фиксированных условиях опыта разность Тхар двух компонентов смеси, а следовательно, и возможность разделения определяются разностью их энтальпий сорбции. При равенстве энтальпий разницу в Тхар следует создавать за счет изменения условий опыта, т.е.
[attention type=red]меняя скорость газа-носителя или скорость движения электропечи. В оптимальных условиях хроматографического опыта каждый компонент анализируемой смеси будет двигаться при своей характеристической температуре со скоростью, равной скорости движения печи.
[/attention]Это может быть использовано для идентификации веществ по наличию или отсутствию пика при данной температуре.
Существенным достоинством метода стационарной хроматермографии является сжатие полосы, что улучшает разделение и повышает концентрацию компонентов (особенно важно при анализе примесей). К недостаткам метода относится уменьшение расстояния между пиками, что может затруднить разделение.[2]
6. Аналитическая реакционная газовая хроматография
Суть этого метода состоит в изменении химического состава пробы до хроматографирования с целью получения веществ легче разделяющихся при хроматографировании или легче детектируемых. Можно использовать также поглощение части компонентов молекулярными ситами или другими поглотителями.
Оба процесса- химический и хроматографический- осуществляется в одной установке аналитической реакционной газовой хроматографии.
Все или некоторые из компонентов анализируемой смеси реагируют в реакторе, а продукты реакции вместе с компонентами, не принимающими участия в реакции, потоком газа-носителя уносятся в хроматографическую колонку.
В практике реакционной газовой хроматографии используется несколько схем взаимного расположения реактора, колонки и детектора. Реактор может быть помещен перед колонкой или после колонки перед детектором или между двумя детекторами. Разработаны и более сложные схемы с применением нескольких реакторов и колонок.
Типы используемых химических реакций самые разнообразные. Органические кислоты этерификацией (взаимодействием со спиртами) превращают в сложные эфиры, обладающие более низкими температурами кипения, чем соответствующие кислоты.
Микропримеси паров воды определяют при пропускании анализируемой смеси через реактор с литий-алюминий-гидридом, реагирующим с водой с образованием водорода, который легко фиксируется катарометром.
Если реактор заполнен карбидом кальция, вода образует ацетилен, наличие которого устанавливается с помощью пламенно-ионизационного детектора. Алифатические сульфиды можно идрогенизировать на никеле Ренея до соответствующих углеводородов.[2]
7.Аппаратурное оформление процесса
Газовая хроматография—наиболее разработанный в аппаратурном оформлении хроматографический метод. Прибор для газохроматографического разделения и получения хроматограммы называется газовым хроматографом. Схема установки наиболее простого газового хроматографа приведена на рис. 5.
Она состоит из газового баллона, содержащего подвижную инертную фазу (газ-носитель), чаще всего гелий, азот, аргон и др.
С помощью редуктора, уменьшающего давление газа до необходимого, газ-носитель поступает в колонку, представляющую собой трубку, заполненную сорбентом или другим хроматографическим материалом, играющим роль неподвижной фазы.
Рис.5 Схема работы газового хроматографа:
[attention type=green]1 – баллон высокого давления с газом-носителем; 2 – стабилизатор потока; 3 и 3 ' – манометры; 4 – хроматографическая колонка; 5 – устройство для ввода пробы; 6 – термостат; 7 – детектор; 8 – самописец; 9 – расходомер
[/attention]Газ-носитель подается из баллона под определенным постоянным давлением, которое устанавливается при помощи специальных клапанов. Пробу перед вводом в колонку дозируют, Жидкие пробы вводят специальными инжекционными шприцами (0,5—20 мкл) в поток газа-носителя (в испаритель) через мембрану из силиконовой самоуплотняющейся резины.
Для введения твердых проб используют специальные приспособления. Проба должна испаряться практически мгновенно, иначе пики на хроматограмме расширяются и точность анализа снижается.
Поэтому дозирующее устройство хроматографа снабжено нагревателем, что позволяет поддерживать температуру дозатора примерно на 50°С выше, чем температура колонки.
Применяют разделительные колонки двух типов: в ~80% случаев спиральные, или насадочные (набивные), а также капиллярные. Спиральные колонки диаметром 2—6мм и длиной 0,5—20 м изготавливают из боросиликатного стекла, тефлона или металла.
В колонки помещают стационарную фазу: в газоадсорбционной хроматографии это адсорбент, а в газожидкостной хроматографии — носитель с тонким слоем жидкой фазы. Правильно подготовленную колонку можно использовать для нескольких сотен определений.
Капиллярные колонки разделяют по способу фиксации неподвижной фазы на два типа: колонки с тонкой пленкой неподвижной жидкой фазы (0,01—1 мкм) непосредственно на внутренней поверхности капилляров и тонкослойные колонки, на внутреннюю поверхность которых нанесен пористый слой (5—10 мкм) твердого вещества, выполняющего функцию сорбента или носителя неподвижной жидкой фазы. Капиллярные колонки изготавливают из различных материалов — нержавеющей стали, меди, дедерона, стекла; диаметр капилляров 0,2—0,5 мм, длина от 10 до 100 м.
Температура колонок определяется главным образом летучестью пробы и может изменяться в пределах от — 1960С (температура кипения жидкого азота) до 3500 С.
[attention type=yellow]Температуру колонки контролируют с точностью до нескольких десятых градуса и поддерживают постоянной с помощью термостата.
[/attention]Прибор дает возможность в процессе хроматографирования повышать температуру с постоянной скоростью (линейное программирование температуры).
Для непрерывного измерения концентрации разделяемых веществ в газе-носителе в комплекс газового хроматографа входит несколько различных детекторов.
Хроматография. Лекция 5. Газовая 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
- газо-твердофазная (газо-адсорбционная)
- 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
- Твердые адсорбенты
- Жидкости на твердом носителе
- 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
- должна хорошо растворять компоненты смеси
- инертность
- малая летучесть (чтобы не испарялась при рабочей температуре колонки)
- термическая устойчивость
- высокая селективность
- небольшая вязкость (иначе замедляется процесс диффузии)
- 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
- баллон с газом-носителем
- блок подготовки газа с регулятором скорости потока
- инжектор (испаритель)
- хроматографическая колонка с термостатом
- детектор
- регистрирующее устройство
Промышленные хроматографы
- Автоматические – контроль производственных процессов: производство легких бензинов, синтетического каучука, полимеров, аммиака, формалина (контроль за реакцией)
- 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:
- концентрирование пробы из большого объема
- для защиты и предохранения основной колонки от гидроудара (из-за перепада давления)
- 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
- Интегральные (практически не используюся)
- 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
- Деструктивные – в процессе детектирования вещество разрушается, не подходят для препаративной хроматографии
- Недеструктивные
По чувствительности
- с низкой чувствительностью (детектор по теплопроводности, детектор сечения ионизации)
- высокочувствительные (ионизационные детекторы)
Иногда используют последовательно несколько детекторов для увеличения чувствительности.
По селективности
- Универсальные
- 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) |
|
|
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. |
|||
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+) |
|
|
Термоионный детектор |
стержень из соли щелочного металла эмиссия увеличивает ток |
|
|
Электронно-захватный детектор (ECD) |
захват медленных электронов электроотрицательными атомами в молекуле – достраивание электронной оболочки элементов до октета убывание ионного тока |
|
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 |
|
Масс-селективный (масс-спектрометрический) |
радиоактивный для соединений, содержащих галогены, нитро-группы |