Газовая хроматография

2.4. Газы, применяемые в хроматографии

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 только дисперсионные взаимодействия)	Полярные с локально кон- центрированными отрицательными зарядами, π- связями, свободными электронными парами при атомах N и О (доноры электронов)	Полярные с локально концентрированными положительными и отрицательными за- рядами (акцепторы и доноры электронов)
Апиезоны Парафиновое масло Сквалан	Адипинаты Нитрилы Нитрилоэфиры Полифенилы Сквалан Стеараты Фталаты	Гидроксиламины Гликоли Глицерин Диглицерин Инозит Сорбит Полиэтиленгликоли

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 S_уд=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]