Неподвижные жидкие фазы для 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.

Если в качестве газа-носителя необходимо использовать водяной пар, то его следует получать кипячением дистиллированной воды при заданной температуре непосредственно в приборе.

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.

Метод фильтрации применяют в тех случаях, когда раствор неподвижной фазы в выбранном растворителе имеет невысокую вязкость.

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.

в) обработка хлорсиланами или силазанами позволяет дезактивировать высокоактивные гидроксильные группы на поверхности твердого носителя (маркировка: хроматон-N-AW-ДМХС);

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;

3) данные по временам удерживания воспроизводились с точностью до десятой доли процента, а площади пиков изменялись с отклонением менее 1%;

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.

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

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.

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 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.

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.

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:

  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

  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.

Температуру колонки контролируют с точностью до нескольких десятых градуса и поддерживают постоянной с помощью термостата.

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

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