Газожидкостная хроматография
В аналитической практике чаще используют методгазожидкостной хроматографии (ГЖХ). Это связано счрезвычайным разнообразием жидких неподвижных фаз, чтооблегчает выбор селективной для данного анализа фазы, слинейностью изотермы распределения в более широкой областиконцентраций, что позволяет работать с большими пробами, ис легкостью получения воспроизводимых по эффективностиколонок.
Механизм распределения компонентов между носителем инеподвижной жидкой фазой основан на растворении их вжидкой фазе. Селективность зависит от двух факторов:упругости пара определяемого вещества и его коэффициентаактивности в жидкой фазе. По закону Рауля, при растворенииупругость пара вещества над раствором pi прямопропорциональна его коэффициенту активности ( молярнойдоле Ni в растворе и давлению паров чистого вещества Р°iпри 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 вхроматографической колонке.
Если же температуры кипения веществ одинаковы, то для ихразделения используют различия во взаимодействии снеподвижной жидкой фазой: чем сильнее взаимодействие, темменьше коэффициент активности и больше удерживание.
Неподвижные жидкие фазы. Для обеспечения селективностиколонки важно правильно выбрать неподвижную жидкую фазу.
Эта фаза должна быть хорошим растворителем для компонентовсмеси (если растворимость мала, компоненты выходят изколонки очень быстро), нелетучей (чтобы не испарялась прирабочей температуре колонки), химически инертной, должнаобладать небольшой вязкостью (иначе замедляется процессдиффузии) и при нанесении на носитель образовыватьравномерную пленку, прочно с ним связанную. Разделительнаяспособность неподвижной фазы для компонентов данной пробыдолжна 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 природуразделяемых веществ, например класс, строение, можнодостаточно быстро подобрать подходящую для разделенияданной смеси селективную жидкую фазу. При этом следуетучитывать, что время удерживания компонентов будетприемлемым для анализа, если полярности стационарной фазыи вещества анализируемой пробы близки. Для растворенныхвеществ с близкой полярностью порядок элюирования обычнокоррелирует с температурами кипения, и если разницатемператур достаточно велика, возможно полное разделение.
Для разделения близко - кипящих веществ разной полярностииспользуют стационарную фазу, селективно - удерживающуюодин или несколько компонентов вследствие диполь -дипольного взаимодействия. С увеличением полярности жидкойфазы время удерживания полярных соединений возрастает.
Для равномерного нанесения жидкой фазы на твердыйноситель ее смешивают с легколетучим растворителем,например эфиром. К этому раствору добавляют твердыйноситель. Смесь нагревают, растворитель испаряется, жидкаяфаза остается на носителе. Сухим носителем с нанесеннойтаким образом неподвижной жидкой фазой заполняют колонку,стараясь избежать образования пустот. Для равномернойупаковки через колонку пропускают струю газа иодновременно постукивают по колонке для уплотнениянабивки. Затем до присоединения к детектору колонкунагревают до температуры на 50° С выше той, при которой еепредполагается использовать. При этом могут быть потерижидкой фазы, но колонка входит в стабильный рабочий режим.
Носители неподвижных жидких фаз. Твердые носители длядиспергирования неподвижной жидкой фазы в виде однороднойтонкой пленки должны быть механически прочными с умереннойудельной поверхностью (20м2/г), небольшим и одинаковымразмером частиц, а также быть достаточно инертными, чтобыадсорбция на поверхности раздела твердой и газообразнойфаз была минимальной. Самая низкая адсорбция наблюдаетсяна носителях из силанизированного хромосорба, стеклянныхгранул и флуоропака (фторуглеродный полимер). Кроме того,твердые носители не должны реагировать на повышениетемпературы и должны легко смачиваться жидкой фазой. Вгазовой хроматографии хелатов в качестве твердогоносителя чаще всего используют силанизированные белыедиатомитовые носители — диатомитовый кремнезем, иликизельгур. Диатомит — это микроаморфный, содержащий воду,диоксид кремния. К таким носителям относят хромосорб W,газохром Q, хроматон N и др. Кроме того, используютстеклянные шарики и тефлон.
Химически связанные фазы. Часто используютмодифицированные носители, ковалентно - связанные с жидкойфазой. При этом стационарная жидкая фаза более прочноудерживается на поверхности даже при самых высокихтемпературах колонки. Например, диатомитовый носительобрабатывают хлорсиланом с длинноцепочечным заместителем,обладающим определенной полярностью. Химически связаннаянеподвижная фаза более эффективна.
Аппаратурное оформление процесса
Газовая хроматография—наиболее разработанный ваппаратурном оформлении хроматографический метод. Прибордля газохроматографического разделения и полученияхроматограммы называется газовым хроматографом. Схемаустановки наиболее простого газового хроматографаприведена на рис. 5. Она состоит из газового баллона,содержащего подвижную инертную фазу (газ-носитель), чащевсего гелий, азот, аргон и др. С помощью редуктора,уменьшающего давление газа до необходимого, газ-носительпоступает в колонку, представляющую собой трубку,заполненную сорбентом или другим хроматографическимматериалом, 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 определеннымпостоянным давлением, которое устанавливается при помощиспециальных клапанов. Скорость потока в зависимости отразмера колонки, как правило, составляет 20—50 мл •мин'1.
Пробу перед вводом в колонку дозируют, Жидкие пробы вводятспециальными инжекционными шприцами (0,5—20 мкл) в потокгаза-носителя (в испаритель) через мембрану из силиконовойсамоуплотняющейся резины. Для введения твердых пробиспользуют специальные приспособления. Проба должнаиспаряться практически мгновенно, иначе пики нахроматограмме расширяются и точность анализа снижается.
Поэтому дозирующее устройство хроматографа снабженонагревателем, что позволяет поддерживать температурудозатора примерно на 50°С выше, чем температура колонки.
Применяют разделительные колонки двух типов: в ~80%случаев спиральные, или насадочные (набивные), а такжекапиллярные. Спиральные колонки диаметром 2—6 мм и длиной
0,5—20 м изготавливают из боросиликатного стекла, тефлонаили металла. В колонки помещают стационарную фазу: вгазоадсорбционной хроматографии это адсорбент, а вгазожидкостной хроматографии — носитель с тонким слоемжидкой фазы. Правильно подготовленную колонку можноиспользовать для нескольких сотен определений. Капиллярныеколонки разделяют по способу фиксации неподвижной фазы надва типа: колонки с тонкой пленкой неподвижной жидкой фазы
(0,01—1 мкм) непосредственно на внутренней поверхностикапилляров и тонкослойные колонки, на внутреннююповерхность которых нанесен пористый слой (5—10 мкм)твердого вещества, выполняющего функцию сорбента илиносителя неподвижной жидкой фазы. Капиллярные колонкиизготавливают 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 образомлетучестью пробы и может изменяться в пределах от - 1960С
(температура кипения жидкого азота) до 3500 С. Температуруколонки контролируют с точностью до нескольких десятыхградуса и поддерживают постоянной с помощью термостата.
Прибор дает возможность в процессе хроматографированияповышать температуру с постоянной скоростью (линейноепрограммирование температуры).
Для непрерывного измерения концентрации разделяемыхвеществ в газе-носителе в комплекс газового хроматографавходит несколько различных детекторов.
Детектор по теплопроводности (катарометр).
Универсальный детектор наиболее широко используется в ГХ.
В полость металлического блока помещена спираль из металлас высоким термическим сопротивлением (Pt, W, их сплавы,
Ni) (рис. 6).
[pic]
Через спираль проходит постоянный ток, в результатечего она нагревается. Если спираль обмывает чистый газ-носитель, спираль теряет постоянное количество теплоты иее температура постоянна. Если состав газа-носителясодержит примеси, то меняется теплопроводность газа исоответственно температура спирали. Это приводит кизменению сопротивления нити, которое измеряют с помощьюмоста Уитстона (рис. 7). Сравнительный поток газа-носителяомывает нити ячеек R1 и R2 а газ, поступающий из/колонки,омывает нити измерительных ячеек С1 и С2. Если у четырехнитей одинаковая температура (одинаковое сопротивление),мост находится в равновесии. При изменении состава газа,выходящего из колонки, сопротивление нитей ячеек С1 и С2меняется, равновесие нарушается и генерируется выходнойсигнал.
На чувствительность катарометра сильно влияеттеплопроводность газа-носителя, поэтому нужно использоватьгазы-носители с максимально возможной теплопроводностью,например гелий или водород.
Детектор электронного захвата представляет собой ячейкус двумя электродами (ионизационная камера), в которуюпоступает газ-носитель, прошедший через хроматографическуюколонку (рис. 8). В камере он облучается постояннымпотоком (-электронов, поскольку один из электродовизготовлен из материала, являющегося источником излучения
(63Ni, 3Н, 226Ra). Наиболее удобный источник излучения —титановая фольга, содержащая адсорбированный тритий. Вдетекторе происходит реакция свободных электронов смолекулами определенных типов с образованием стабильныханионов: АВ + е = АВ- ± энергия, АВ+е=А + В- ± энергия.
В ионизованном газе-носителе (N2, Не) в качествеотрицательно заряженных частиц присутствуют толькоэлектроны. В присутствии соединения, которое можетзахватывать электроны, ионизационный ток детекторауменьшается. Этот детектор дает отклик на соединения,содержащие галогены, фосфор, серу, нитраты, свинец,кислород; на большинство углеводородов он не реагирует.
Пламенно - ионизационный детектор (ПИД). Схема ПИДприведена на рис. 9. Выходящий из колонки газ смешиваетсяс водородом и поступает в форсунку горелки детектора.
Образующиеся в пламени ионизованные частицы заполняютмежэлектродное пространство, в результате чегосопротивление снижается, ток резко усиливается.
Стабильность и чувствительность ПИД зависит от подходящеговыбора скорости потока всех используемых газов (газ-носитель ~30—50 мл/мин, H2 ~30 мл/мин, воздух ~300—500мл/мин). ПИД реагирует практически на все соединения,кроме Н2, инертных газов, О2, N2, оксидов азота, серы,углерода, а также воды. Этот детектор имеет широкуюобласть линейного отклика (6—7 порядков), поэтому оннаиболее пригоден при определении следов.