Газовая хроматография

линейной изотермой адсорбции (к — константа). В этом

случае каждый компонент перемещается вдоль колонки с

постоянной скоростью, не зависящей от его концентрации.

Разделение веществ обусловлено различной скоростью их

перемещения. Поэтому в ГАХ чрезвычайно важен выбор

адсорбента, площадь и природа поверхности которого

обусловливают селективность (разделение) при заданной

температуре.

С повышением температуры уменьшаются теплота адсорбции

(H/T, от которой зависит удерживание, и соответственно tR

. Это используют в практике анализа. Если разделяют

соединения, сильно различающиеся по летучести при

постоянной температуре, то низкокипящие вещества

элюируются быстро, высококипящие имеют большее время

удерживания, их пики на хроматограмме будут ниже и шире,

анализ занимает много времени. Если же в процессе

хроматографирования повышать температуру колонки с

постоянной скоростью (программирование температуры), то

близкие по ширине пики на хроматограмме будут

располагаться равномерно.

В качестве адсорбентов для ГАХ в основном используют

активные угли, силикагели, пористое стекло, оксид

алюминия. Неоднородностью поверхности активных адсорбентов

обусловлены основные недостатки метода ГАХ и невозможность

определения сильно адсорбирующихся полярных молекул.

Однако на геометрически и химически однородных

макропористых адсорбентах можно проводить анализ смесей

сильнополярных веществ. В последние годы выпускают

адсорбенты с более или менее однородной поверхностью,

такие, как пористые полимеры, макропористые силикагели

(силохром, порасил, сферосил), пористые стекла, цеолиты.

Наиболее широко метод газоадсорбционной хроматографии

применяют для анализа смесей газов и низкокипящих

углеводородов, не содержащих активных функциональных

групп. Изотермы адсорбции таких молекул близки к

линейным. Например, для разделения О2, N2, CO, CH4, СО2

с успехом применяют глинистые. Температура колонки

программируется для сокращения времени анализа за счет

уменьшения tR высококипящих газов. На молекулярных ситах —

высокопористых природных или синтетических кристаллических

материалах, все поры которых имеют примерно одинаковые

размеры (0,4—1,5 нм), — можно разделить изотопы водорода.

Сорбенты, называемые порапаками, используют для разделения

гидридов металлов (Ge, As, Sn, Sb) (см. рис. 8.15). Метод

ГАХ на колонках с пористыми полимерными сорбентами или

углеродными молекулярными ситами самый быстрый и удобный

способ определения воды в неорганических и органических

материалах, например в растворителях.

Газожидкостная хроматография

В аналитической практике чаще используют метод

газожидкостной хроматографии (ГЖХ). Это связано с

чрезвычайным разнообразием жидких неподвижных фаз, что

облегчает выбор селективной для данного анализа фазы, с

линейностью изотермы распределения в более широкой области

концентраций, что позволяет работать с большими пробами, и

с легкостью получения воспроизводимых по эффективности

колонок.

Механизм распределения компонентов между носителем и

неподвижной жидкой фазой основан на растворении их в

жидкой фазе. Селективность зависит от двух факторов:

упругости пара определяемого вещества и его коэффициента

активности в жидкой фазе. По закону Рауля, при растворении

упругость пара вещества над раствором pi прямо

пропорциональна его коэффициенту активности ( молярной

доле Ni в растворе и давлению паров чистого вещества Р°i

при данной температуре:

pi = Ni Р°i

Поскольку концентрация i-го компонента в равновесной

паровой фазе определяется его парциальным давлением, можно

принять что

Pi ~ cm, а Ni ~ cs. Тогда

[pic]

а коэффициент селективности [pic]

Таким образом, чем ниже температура кипения вещества

(чем больше P0i), тем слабее удерживается оно в

хроматографической колонке.

Если же температуры кипения веществ одинаковы, то для их

разделения используют различия во взаимодействии с

неподвижной жидкой фазой: чем сильнее взаимодействие, тем

меньше коэффициент активности и больше удерживание.

Неподвижные жидкие фазы. Для обеспечения селективности

колонки важно правильно выбрать неподвижную жидкую фазу.

Эта фаза должна быть хорошим растворителем для компонентов

смеси (если растворимость мала, компоненты выходят из

колонки очень быстро), нелетучей (чтобы не испарялась при

рабочей температуре колонки), химически инертной, должна

обладать небольшой вязкостью (иначе замедляется процесс

диффузии) и при нанесении на носитель образовывать

равномерную пленку, прочно с ним связанную. Разделительная

способность неподвижной фазы для компонентов данной пробы

должна быть максимальной.

Различают жидкие фазы трех типов: неполярные

(насыщенные углеводороды и др.), умеренно полярные

(сложные эфиры, нитрилы и др.) и полярные (полигликоли,

гидроксиламииы и др.).

Зная свойства неподвижной жидкой фазы и природу

разделяемых веществ, например класс, строение, можно

достаточно быстро подобрать подходящую для разделения

данной смеси селективную жидкую фазу. При этом следует

учитывать, что время удерживания компонентов будет

приемлемым для анализа, если полярности стационарной фазы

и вещества анализируемой пробы близки. Для растворенных

веществ с близкой полярностью порядок элюирования обычно

коррелирует с температурами кипения, и если разница

температур достаточно велика, возможно полное разделение.

Для разделения близко - кипящих веществ разной полярности

используют стационарную фазу, селективно - удерживающую

один или несколько компонентов вследствие диполь -

дипольного взаимодействия. С увеличением полярности жидкой

фазы время удерживания полярных соединений возрастает.

Для равномерного нанесения жидкой фазы на твердый

носитель ее смешивают с легколетучим растворителем,

например эфиром. К этому раствору добавляют твердый

носитель. Смесь нагревают, растворитель испаряется, жидкая

фаза остается на носителе. Сухим носителем с нанесенной

таким образом неподвижной жидкой фазой заполняют колонку,

стараясь избежать образования пустот. Для равномерной

упаковки через колонку пропускают струю газа и

одновременно постукивают по колонке для уплотнения

набивки. Затем до присоединения к детектору колонку

нагревают до температуры на 50° С выше той, при которой ее

предполагается использовать. При этом могут быть потери

жидкой фазы, но колонка входит в стабильный рабочий режим.

Носители неподвижных жидких фаз. Твердые носители для

диспергирования неподвижной жидкой фазы в виде однородной

тонкой пленки должны быть механически прочными с умеренной

удельной поверхностью (20м2/г), небольшим и одинаковым

размером частиц, а также быть достаточно инертными, чтобы

адсорбция на поверхности раздела твердой и газообразной

фаз была минимальной. Самая низкая адсорбция наблюдается

на носителях из силанизированного хромосорба, стеклянных

гранул и флуоропака (фторуглеродный полимер). Кроме того,

твердые носители не должны реагировать на повышение

температуры и должны легко смачиваться жидкой фазой. В

газовой хроматографии хелатов в качестве твердого

носителя чаще всего используют силанизированные белые

диатомитовые носители — диатомитовый кремнезем, или

кизельгур. Диатомит — это микроаморфный, содержащий воду,

диоксид кремния. К таким носителям относят хромосорб W,

газохром Q, хроматон N и др. Кроме того, используют

стеклянные шарики и тефлон.

Химически связанные фазы. Часто используют

модифицированные носители, ковалентно - связанные с жидкой

фазой. При этом стационарная жидкая фаза более прочно

удерживается на поверхности даже при самых высоких

температурах колонки. Например, диатомитовый носитель

обрабатывают хлорсиланом с длинноцепочечным заместителем,

обладающим определенной полярностью. Химически связанная

неподвижная фаза более эффективна.

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.

[pic]

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. Скорость потока в зависимости от

размера колонки, как правило, составляет 20—50 мл •мин'1.

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—6 мм 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.

Детектор по теплопроводности (катарометр).

Универсальный детектор наиболее широко используется в ГХ.

В полость металлического блока помещена спираль из металла

с высоким термическим сопротивлением (Pt, W, их сплавы,

Ni) (рис. 6).

[pic]

Через спираль проходит постоянный ток, в результате

чего она нагревается. Если спираль обмывает чистый газ-

носитель, спираль теряет постоянное количество теплоты и

ее температура постоянна. Если состав газа-носителя

содержит примеси, то меняется теплопроводность газа и

соответственно температура спирали. Это приводит к

изменению сопротивления нити, которое измеряют с помощью

моста Уитстона (рис. 7). Сравнительный поток газа-носителя

омывает нити ячеек R1 и R2 а газ, поступающий из/колонки,

омывает нити измерительных ячеек С1 и С2. Если у четырех

нитей одинаковая температура (одинаковое сопротивление),

мост находится в равновесии. При изменении состава газа,

выходящего из колонки, сопротивление нитей ячеек С1 и С2

меняется, равновесие нарушается и генерируется выходной

сигнал.

На чувствительность катарометра сильно влияет

теплопроводность газа-носителя, поэтому нужно использовать

газы-носители с максимально возможной теплопроводностью,

например гелий или водород.

Детектор электронного захвата представляет собой ячейку

с двумя электродами (ионизационная камера), в которую

поступает газ-носитель, прошедший через хроматографическую

колонку (рис. 8). В камере он облучается постоянным

потоком (-электронов, поскольку один из электродов

изготовлен из материала, являющегося источником излучения

(63Ni, 3Н, 226Ra). Наиболее удобный источник излучения —

титановая фольга, содержащая адсорбированный тритий. В

детекторе происходит реакция свободных электронов с

молекулами определенных типов с образованием стабильных

анионов: АВ + е = АВ- ± энергия, АВ+е=А + В- ± энергия.

В ионизованном газе-носителе (N2, Не) в качестве

отрицательно заряженных частиц присутствуют только

электроны. В присутствии соединения, которое может

захватывать электроны, ионизационный ток детектора

уменьшается. Этот детектор дает отклик на соединения,

содержащие галогены, фосфор, серу, нитраты, свинец,

кислород; на большинство углеводородов он не реагирует.

Пламенно - ионизационный детектор (ПИД). Схема ПИД

приведена на рис. 9. Выходящий из колонки газ смешивается

с водородом и поступает в форсунку горелки детектора.

Образующиеся в пламени ионизованные частицы заполняют

межэлектродное пространство, в результате чего

сопротивление снижается, ток резко усиливается.

Стабильность и чувствительность ПИД зависит от подходящего

выбора скорости потока всех используемых газов (газ-

носитель ~30—50 мл/мин, H2 ~30 мл/мин, воздух ~300—500

мл/мин). ПИД реагирует практически на все соединения,

кроме Н2, инертных газов, О2, N2, оксидов азота, серы,

углерода, а также воды. Этот детектор имеет широкую

область линейного отклика (6—7 порядков), поэтому он

наиболее пригоден при определении следов.

Области применения газовой хроматографии

Метод ГХ — один из самых современных методов

многокомпонентного анализа, его отличительные черты —

экспрессность, высокая точность, чувствительность,

автоматизация. Метод позволяет решить многие аналитические

проблемы. Количественный ГХ анализ можно рассматривать как

самостоятельный аналитический метод, более эффективный при

разделении веществ, относящихся к одному и тому же классу

(углеводороды, органические кислоты, спирты и т.д.). Этот

метод незаменим в нефтехимии (бензины содержат сотни

соединений, а керосины и масла — тысячи), его используют

при определении пестицидов, удобрений, лекарственных

препаратов, витаминов, наркотиков и др. При анализе

сложных многокомпонентных смесей успешно применяют метод

капиллярной хроматографии, поскольку число теоретических

тарелок для 100 м колонки достигает (2—3)*105.

Возможности метода ГХ существенно расширяются при

использовании реакционной газовой хроматографии (РГХ),

вследствие того что многие нелетучие, термонеустойчивые

или агрессивные вещества непосредственно перед введением в

хроматографическую колонку могут быть переведены с помощью

химических реакций в другие — более летучие и устойчивые.

Химические превращения осуществляют чаще на входе в

хроматографическую колонку, иногда в самой колонке или на

выходе из нее перед детектором. Значительно удобнее

проводить превращения вне хроматографа. Недостатки метода

РГХ связаны с появлением новых источников ошибок и

возрастанием времени анализа.

Реакционную хроматографию часто используют при определении

содержания микроколичеств воды. Вода реагирует с гидридами

металлов, с карбидом кальция или металлическим натрием и

др., продукты реакции (водород, ацетилен) детектируются с

высокой чувствительностью пламенно-ионизационным

детектором. К парам воды этот детектор малочувствителен.

Широко применяют химические превращения в анализе

термически неустойчивых биологических смесей. Обычно

анализируют производные аминокислот, жирных кислот

С10—C20, сахаров, стероидов. Для изучения

высокомолекулярных соединений (олигомеры, полимеры,

каучуки. смолы и т.д.) по продуктам их разложения

используют пиролизную хроматографию. В этом методе

испарение пробы заменяют пиролизом. Карбонаты металлов

можно проанализировать по выделяющемуся диоксиду углерода

при обработке их кислотами.

Методом газовой хроматографии можно определять металлы,

переводя их в летучие хелаты. Особенно пригодны для

хроматографирования хелаты 2-, 3- и 4-валентных металлов с

(-дикетонами. Лучшие хроматографические свойства проявляют

(-дикетонаты Be(II), Al(III), Sc(III), V(III), Cr(III).

Газовая хроматография хелатов может конкурировать с

другими инструментальными методами анализа.

ГХ используют также в препаративных целях для очистки

химических препаратов, выделения индивидуальных веществ из

смесей. Метод широко применяют в физико-химических

исследованиях: для определения свойств адсорбентов,

термодинамических характеристик адсорбции и теплот

адсорбции, величин поверхности твердых тел, а также

констант равновесия, коэффициентов активности и др.

При помощи газового хроматографа, установленного на

космической станции "Венера-12", был определен состав

атмосферы Венеры. Газовые хроматографы устанавливают в

жилых отсеках космических кораблей: организм человека

выделяет много вредных веществ, и их накопление может

привести к большим неприятностям. При превышении

допустимых норм вредных веществ автоматическая система

хроматографа дает команду прибору, который очищает воздух.

Термически лабильные вещества с низкой летучестью можно

анализировать методом сверхкритической флюидной

хроматографии (разновидность ГХ). В этом методе в качестве

подвижной фазы используют вещества в сверхкритическом

состоянии при высоких давлении и температуре. Это могут

быть диоксид углерода, н-пентан, изо-пропанол, диэтиловый

эфир и др. Чаще применяют диоксид углерода, который легче

перевести в сверхкритическое состояние, он нетоксичен, не

воспламеняется, является дешевым продуктом. Преимущество

этого метода, по сравнению с методами ГХ и ВЭЖХ, —

экспрессность, обусловленная тем, что вязкость фаз в

сверхкритическом состоянии мала, скорость потока подвижной

фазы высокая и время удерживания компонентов пробы

сокращается более чем в 10 раз. В этом методе используют

капиллярные колонки длиной 10—15 м, спектрофотометрический

или пламенно-ионизационный детектор.

Литература:

1. Основы аналитической химии. В 2 кн. Кн. 1 Общие

вопросы. Методы разделения: Учебник для ВУЗов/ Ю.А.

Золотов, Е.Н. Дорохова, В.И. Фадеева и др.; Под ред. Ю.А.

Золотова. - М.: Высш. шк., 1996. - 383 с.: ил.

-----------------------

Рис.6 Схема катарометра: 1 - ввод газа из колонки; 2 - изолятор; 3 - выход

в атмосферу; 4 - металлический блок; 5 - нить сопротивления

Рис. 7. Схема моста Уитстона:

1 - вход газа из колонки; 2 - ввод чистого газа-носителя; 3 - источник

тока; 4 - регулятор тока, проходящего через нити; 5 - миллиамперметр; 6 -

установка нуля

Рис.8 Схема электронно-захватного детектора: 1 - ввод газа; 2 - источник

излучения; 3 - вывод в атмосферу; 4,5 - электроды

Рис. 9 Схема ПИД: 1 - ввод газа на колонки; 2 - ввод водорода; 3 - вывод в

атмосферу; 4 - собирающий электрод; 5 - катод; 6 - ввод воздуха

Страницы: 1, 2