Основные положения хроматографии

Пример такого детектора  – пламенно-ионизационный детектор.

Общие требования, предъявляемые  к детекторам следующие:

– достаточная чувствительность для решения конкретной задачи;

– малая инерционность;

– малая зависимость  показаний от параметров опыта  (температуры,

давления, скорости потока и др.);

–  линейная связь  между показаниями и концентрацией  в широком

интервале ее изменения;

– стабильность «нулевой линии»;

– легкость записи сигнала  и передачи его на расстояние;

– простота, дешевизна.

Универсальным является катарометр –  детектор по

теплопроводности,  принцип  работы которого основан на изменении

температуры нагретых нитей  (чувствительных элементов)  в зависимости

от теплопроводности окружающего газа,  которая определяется его

составом.  Детектор измеряет различие в теплопроводности чистого газа-

носителя и смеси  газа-носителя с определяемым веществом.

Чувствительность детектора  определяется геометрическими

характеристиками чувствительного  элемента,  электрическими

параметрами чувствительного  элемента и измерительного моста,

теплопроводностью газа-носителя и анализируемого соединения.  Для

повышения чувствительности необходимо использовать газ-носитель с

высокой электропроводность (водород, гелий). Наиболее широко используются ионизационные детекторы, принцип работы которых основан на изменении ионного тока, вызванного введением в детектор анализируемого вещества.  Ионный ток возникает под действием источника ионизации и электрического поля между электродами детектора.

В качестве источников ионизации используют:

– пламена (пламенно-ионизационный  детектор)

– электронную и ионную эмиссию (термоионный детектор)

– радиоактивные изотопы (детектор электронного захвата)

– электрический разряд

– фотоионизацию (фотоионизационный  детектор)

В любой момент времени в детекторе достигается равновесие,  в

результате которого скорость образования заряженных частиц  (ионов и

электронов)  равна  сумме скоростей рекомбинации и  сбора заряженных

частиц на электродах детектора. Создаются условия,  при  которых либо

плотность  (концентрация)  заряженных частиц,  либо скорость переноса

частиц в электрическом  поле зависит от состава газа в  камере детектора.

Пламенно-ионизационный  детектор  (ПИД) –  универсальный,

чувствительный детектор,  принцип действия которого основан  на измерении электропроводности воздушно-водородного пламени,  которая

резко возрастает при  попадании в него малых количеств  органических

веществ.

Термоионный детектор  (ТИД) селективен к азот-  и фосфор-

содержащим соединениям  и является модификацией пламенно-

ионизационного детектора.  Особенность этого детектора  состоит в том,

что вблизи водородного  пламени горелки помещают соль щелочного

металла  (шарик,  содержащий бромид рубидия).  Нагретая соль

атомизируется и образующиеся при этом атомы рубидия диссоциируют на

ионы и электроны, которые  попадают в электрическое поле. В  присутствии

соединения,  содержащего  галоген,  азот или фосфор,  ионный ток

возрастает,  т.е.  происходит селективное повышение эффективности

ионизации соединений содержащих    атомы азота и фосфора.  В их число

входит множество чрезвычайно  опасных загрязнителей среды  –

гербицидов, инсектицидов и фунгицидов.

Селективным и чувствительным детектором для определения

галогенсодержащих соединений является электронозахватный детектор (ЭЗД).  В детектор входит радиоактивный источник β-частиц,  которые

ионизируют молекулы газа-носителя,  с образованием ионов  и тепловых

электронов,  которые  формируют электрический ток  в камере детектора.

Принцип действия этого  детектора основан на уменьшении проводимости, вызываемом захватом электронов веществом,  содержащим атомы с высокой электроотрицательностью. Принцип действия фотоионизационного детектора (ФИД) заключается в ионизации молекул,  элюируемых с хроматографической колонки под действием вакуумного УФ-излучения и измерении возникающего ионного тока.  Изменяя энергию излучения,  можно варьировать чувствительность детектирования соединений различных классов. Особенно низкий предел обнаружения у ФИД для ароматических углеводородов  (при использовании лампы с энергией 10.2 В).

Положительной особенность  ФИД является то,  что он не разрушает

детектируемые соединения,  и его можно использовать в  комбинации с

другими детекторами  для более надежной идентификации  сложных

смесей. Наиболее информативным  и чувствительным детектором,

используемым в газовой  хроматографии,  является масс-спектрометрический детектор.  Принцип действия детектора  основан на том,  что при ионизации молекулы в вакууме образуется группа характеристических ионов. Число образующихся ионов пропорционально количеству поступающего вещества,  регистрируется изменение полного ионного тока,  который пропорционален числу ионов.  Одновременно с записью хроматограммы (зависимости полного ионного тока от времени) в любой ее точке,  обычно на вершине хроматографического пика,  может быть зарегистрирован масс-спектр  (зависимость интенсивности ионного тока от массы иона).  Масс-спектрометр в отличие от других спектроскопических детекторов регистрирует не излучение или поглощение энергии молекулами или атомами вещества,  а сами частицы вещества,  измеряет их массы,  вернее отношение массы к заряду.  Таким образом,  масс-спектрометрический детектор можно рассматривать как универсальный детектор,  который позволяет определить состав анализируемой смеси и идентифицировать разделяемые компоненты. Различают два варианта метода:  газо-адсорбционную,  когда неподвижной фазой служит твердый носитель,  и газо-жидкостную хроматографию,  когда неподвижной фазой является вязкая,  нелетучая жидкость, нанесенная на инертный носитель.

 

2.2. Газо-адсорбционная хроматография

 

Метод анализа смесей газов и легколетучих веществ.  Разделение

основано на различии в адсорбции на поверхности твердого носителя

(адсорбента).  Адсорбция  может быть обусловлена неспецифическими

(ориентационными, индукционными и дисперсионными) и специфическими

взаимодействиями  (комплексообразованием,  либо образованием

водородной связи) и  зависит от природы адсорбента и  сорбата. В качестве

адсорбентов используют пористые носители,  которые обладают

химической,  физической и термической стабильностью;  однородной

поверхностью,  равномерным  распределением по размеру пор и  известной

адсорбционной активностью.  Адсорбционная активность зависит  от

удельной поверхности  (определяется геометрической структурой

носителя)  и удельной поверхностной энергии  (определяется химической

структурой поверхности).

Достоинствами адсорбентов  в качестве неподвижных фаз являются способность выдерживать высокие температуры, отсутствие фонового сигнала при работе с ионизационными детекторами и высокая селективность.

Адсорбенты делятся  на неорганические, полимерные  (органические)

и модифицированные.  Среди неорганических адсорбентов  особо важны

сорбенты на основе углеродных материалов.  Это неполярные сорбенты,

для них особую роль в  процессе разделения играют геометрические

параметры поверхности.  Наиболее интересная особенность данных

материалов – возможность  разделения структурных изомеров.

Широко используются полярные неорганические сорбенты на основе

двуокиси кремния.  Особый интерес для газо-адсорбционной

хроматографии представляет использование цеолитовых молекулярных

сит , которые успешно   позволяют разделять различные газовые смеси.

Применение адсорбентов  на основе Al2O3 ограничено из-за его

гетерополярной поверхности,  гигроскопичности и асимметрии пиков разделяемых соединений.  Сорбенты используют для разделения легких

углеводородов.

Наиболее многообразны полимерные сорбенты на основе пористых

полимеров стирола и  дивинилбензола и дивинилбензола.  Их удается

синтезировать с заданными свойствами и очень чистой поверхностью. Это

гидрофобные сорбенты,  слабо удерживающие полярные молекулы,

содержащие гидрокси-   амино-группы.  Основная область  применения

полимерных сорбентов  –  разделение полярных и реакционно способных

газов и высоко полярных органических соединений;  определение воды в

органических растворителях  и летучих органических примесей в воде.

 

2.3. Газо-жидкостная хроматография

 

Газожидкостная хроматография  основана на физико-химическом разделении анализируемых компонентов, находящихся в газовой фазе, при их прохождении вдоль нелетучей жидкости, нанесенной на твердый сорбент. Это один из наиболее перспективных методов анализа. Широкое распространение и перспективность методов ГЖХ обусловлены тем, что они позволяют разделить и количественно определить вещества в сложной смеси даже в тех случаях, когда они сходны по химическим свойствам, а температуры кипения W различаются на десятые доли градуса. Для анализа требуются очень малые количества вещества, а время определения обычно исчисляется минутами.

Разделение анализируемых  веществ происходит в колонках (трубках), наполненных твердым пористым сорбентом, на который нанесена жидкая нелетучая  стационарная фаза. Пары анализируемых  веществ, смешанные с газом-носителем, движутся через колонку. При этом происходит многократное установление равновесия между подвижной газовой и жидкой стационарной фазами, обусловленное многократным повторением процессов растворения и испарения. Вещества, лучше растворимые в стационарной фазе, дольше удерживаются ею. Благодаря этому происходит разделение анализируемой смеси на отдельные компоненты, которые выходят из колонки отдельно и регистрируются на выходе.

Эффективность использования  метода ГЖХ в каждом отдельном  случае зависит от правильного выбора жидкой фазы, размера частиц и природы твердого носителя, скорости и природы газа-носителя, температуры, количества вводимой пробы, длины колонки и других факторов. Поскольку теоретический учет этих факторов не всегда возможен, эффективность анализа ГЖХ в большой степени зависит от практических знаний и опыта экспериментатора.

Поведение анализируемого вещества в колонке хроматографа можно охарактеризовать временем удерживания (fe), Т. е. временем, прошедшим от момента  ввода пробы в колонку до момента  появления максимума хроматографического пика этого компонента. Очевидно, что эта величина при прочих равных условиях будет зависеть от объемной скорости газа-носителя (F). Поэтому хроматографические пики принято характеризовать величиной удерживаемого объема (VR):

Удерживаемый объем  зависит от размера пробы и  ряда других факторов. Поэтому для  расчетов применяют не простую величину Vr, а исправленную с учетом времени  удерживания несорбирующегося вещества (воздух, инертный газ) - t0; мертвого объема, равного удерживаемому объему несорбирующегося вещества, - Vm, сжимаемости j; массы неподвижной фазы W; абсолютной температуры колонки T и т. д.

Довольно часто пользуются исправленным удерживаемым объемом VR, который представляет собой разность удерживаемого объема вещества и  удерживаемого объема газа-носителя:

Вдоль каждой колонки  существует градиент давления. Поэтому  вводят поправочный коэффициент j, который учитывает сжимаемость газа в колонке:

где Pi - давление газа-носителя на входе в колонку, а Ро - давление на выходе из колонки. С учетом сжимаемости  исправленный удерживаемый объем будет:

Пользуются также величиной  удельного удерживаемого объема:

Эта величина эквивалентна VN при 0 С на 1 г жидкой фазы.

Относительный удерживаемый объем рассчитывают по формуле:

где индекс s относится  к некоторому внутреннему стандарту, в качестве которого обычно используют нормальные алканы, а индекс х - к данному компоненту пробы.

Типичная блок-схема  газожидкостного хроматографа изображена на рис. 1. Газ-носитель (гелий, азот, аргон) из баллона 1 через редуктор поступает в блок стабилизации газового потока 2, а из него - в аналитический блок 3, состоящий из термостата, колонок и ротаметра. Испытуемое вещество вводится с помощью микрошприца на стеклянную насадку, расположенную в начале колонки и обеспечивающую быстрое испарение вещества и полное смешение его с газом-носителем. Ввод пробы шприцем в колонку осуществляется через прокладку из силиконовой резины. Объем пробы в зависимости от типа детектора, прибора и условий хроматографирования колеблется в пределах от 0,1 до 10 мкл. Определяемые компоненты в смеси с газом-носителем поступают в детектор 4. Электрический сигнал от детектора поступает в усилитель 5. Усиленный сигнал записывается самопишущим потенциометром в виде хроматограммы (рис. 24) с числом пиков, соответствующим числу определяемых компонентов смеси. Количество каждого компонента можно высчитать по площади пика. Температура колонки может меняться по заданной программе с помощью блока программирования 7. Внешний вид современного хроматографа изображен на рис. 1.