Развитие газовой хроматографии

2 Развитие газовой хроматографии

 

Газовая хроматография – метод  разделения летучих, термостабильных  соединений. Подвижной фазой служит инертный газ (газ–носитель), протекающий через неподвижную фазу, обладающую большой поверхностью. В качестве подвижной фазы используют водород, гелий, азот, аргон, углекислый газ. Газ – носитель не взаимодействует с разделяемыми веществами и неподвижной фазой, он выполняет только транспортную функцию.

В зависимости от агрегатного состояния  неподвижной фазы различают два  вида газовой хроматографии – газоадсорбционную (неподвижная фаза – твёрдый носитель: силикагель, уголь, оксид алюминия) и газожидкостную (неподвижная фаза – жидкость, нанесённая на инертный носитель).

Газохроматографическим методом  могут быть проанализированы газообразные, жидкие и твёрдые вещества молекулярной массой менее 400, удовлетворяющие определённым требованиям, главные из которых  – летучесть, термостабильность, инертность и лёгкость получения.

Бурное развитие газовой хроматографии началось в 1952 году, после того как А. Мартин и А. Джеймс осуществили газожидкостной вариант, использовав смешанную  неподвижную фазу. Первый коммерческий газовый хроматограф был введен фирмой Перкин-Элмер в 1955 году. После этого метод был использован для исследования продуктов нефтехимии. Высокая эффективность этого быстрого и количественного метода позволила применить его для анализа многих веществ и решения многих задач. Сегодня газовая хроматография принадлежит к наиболее распространенным и, несомненно, наиболее мощным методам исследования в инструментальном анализе.

Газовая хроматография  как метод разделения и идентификации  сегодня широко используется в лабораториях химической промышленности,

исследовательских институтах, а также  в клинических исследованиях.  Во

многих случаях она превратилась в важнейший и наиболее точный метод анализа. Кроме того, во многих случаях этот метод обосновано претендует на то что, только он может дать исчерпывающий аналитический ответ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Теоретические основы газовой хроматографии

 

Поверхность твёрдых тел обладает в той  или иной степени адсорбционными свойствами, то есть способностью поглощать  газы, пары и растворённые вещества. Характер поглощения зависит от способа  обработки адсорбента и структуры  его активной поверхности, но более  всего от природы всего – от природы адсорбируемого вещества.

Наиболее  сильно развитой способностью к адсорбции  обладают древесный уголь и силикагель. Уголь поглощает из водных растворов органические вещества гораздо лучше, чем неорганические, кислоту лучше, чем щёлочь, а силикагель, наоборот, хорошо поглощает воду, неорганические вещества и щёлочь.

На поверхности  твёрдого тела (адсорбента) имеется  силовое поле, которое способно притягивать  молекулы посторонних веществ, причём на границе фаз образуется насыщенный мономолекулярный адсорбционный слой. Адсорбированные молекулы совершают  колебательные движения, при этом некоторые молекулы могут оторваться и снова перейти в жидкую фазу, и наоборот. О поверхность поглотителя непрерывно ударяются новые молекулы и задерживаются на ней. В результате одновременного протекания процессов адсорбции и десорбции устанавливается адсорбционное равновесие

А + В    АВ

где А  – адсорбируемая молекула; В –  адсорбент; АВ – «адсорбционное соединение». Процесс, протекающий слева направо, есть адсорбция; процесс, протекающий  справа налево, - десорбция.

Молекулярно – адсорбционная хроматография широко используется в газовой хроматографии для анализа сложных газовых смесей в нефтяной, газовой и коксохимической промышленности, при анализе продуктов пищевой, парфюмерной и фармацевтической промышленности. Адсорбируемость компонентов газовой смеси жидкостью или твёрдым телом зависит от температуры, давления газов, концентрации раствора, от природы и структуры адсорбтива и адсорбента.

В качестве адсорбентов могут быть использованы многие твёрдые вещества после измельчения  и активации: сахароза, молочный сахар, целлюлоза, крахмал, оксид алюминия, карбонат кальция, оксид кальция, силикагель, оксид цинка, оксид магния, активированный уголь, синтетические цеолиты, а также некоторые природные материалы, главным образом различные сорта глины.

Для разделения на полярных адсорбентах применяют  малополярные растворители: бензин, бензол, сероуглеглерод и др. Для промывания применяют те же растворители.

Основным  требованиям к жидкостям, применяемым  как неподвижные фазы, является их полная химическая инертность как по отношению к компонентам разделяемой смеси, так и по отношению к твёрдому носителю. Кроме того, жидкость должна обеспечить высокую селективность, иметь малую вязкость, незначительную летучесть, быть достаточно термически устойчивой и прочно удерживаться на поверхности твёрдого носителя. Несмотря на такие требования, известно много жидкостей, применяемых как неподвижные фазы: вазелиновое масло, высококипящее авиационное масло, высоковакуумная смазка и ряд других высокомолекулярных органических жидкостей.

В настоящее  время распределительную хроматографию  широко используют для анализа газов. Такой вид хроматографии получил  название газожидкостной хроматографии. В газожидкостной хроматографии  распределение компонентов анализируемой  смеси происходит между газообразной и жидкой фазами. Неподвижная фаза – жидкость, нанесенная на твёрдый инертный носитель. Подвижная фаза – газ-носитель, в котором содержится анализируемая смесь. При пропускании газа-носителя через колонку протекают многократные процессы растворения и выделения газа в

 жидкой  плёнке. В условиях газожидкостной  хроматографии газ-носитель не 

 

должен растворяться в неподвижной фазе и адсорбироваться  твёрдым носителем. В качестве газа-носителя наиболее часто применяют водород, гелий, аргон, азот, воздух, реже углекислый газ.

 

                                         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Схема  газового хроматографа

 

Успех применения газовой хроматографии зависит  не только от правильного выбора сорбента и условий его работы, но и от конструктивных особенностей аппаратуры. Газовые хроматографы представляют собой сложные автоматизированные установки. Соответственно назначению их можно разделить на две группы – лабораторные и промышленные. Для лабораторных приборов, наиболее универсальных и чувствительных, продолжительность анализа не столь  существенна. Они обеспечивают наиболее полное разделение сложных по составу  газовых смесей. К промышленным приборам не предъявляют универсальных требований. Они при наибольшей автоматизации  должны выполнять анализы в возможно более короткие сроки и с максимальной точностью.

Принципиальная  схема хроматографа  приведена  на рисунке 1.

               

 

Рисунок 1 – Схема хроматографа

Описание  схемы: газ-носитель проходит через  систему подготовки газа, которая  включает манометр 2 (измеряет давление), ротаметр 3 (измеряет скорость) и осушительную колонку 4, и поступает в хроматограф, где делятся на два потока.

Один поток  сразу направляется в детектор 7, второй поток поступает в испаритель 5, куда подаётся проба, а затем в  хроматографическую колонку. В колонке  происходит разделение смеси на компоненты, которые газом-носителем смещаются  вниз по колонке и по отдельности  выходят из неё. Газ из колонки  поступает в рабочую ячейку детектора.

В детекторе  сравниваются два потока газа. Если составы потоков одинаковы, то электрического сигнала не будет, на хроматограмме нулевая линия. Если потоки разные, то возникает электрический сигнал и на хроматограмме появляется пик.

Основные  узлы схемы: источник постоянного потока газа-носителя; дозатор – устройство для ввода анализируемой смеси; хроматографическая колонка; детектор – устройство, фиксирующее компоненты разделяемой смеси по выходу их из колонки; система регистрации и  в отдельных случаях приспособление для улавливания компонентов  смеси после их разделения.

Источник  постоянного газа-носителя. Газ-носитель подают из газового баллона через  редуктор. При выходе из редуктора газ обычно имеет постоянное давление и скорость. Скорость потока и расход  газа-носителя измеряют системой ротаметров. Для очистки и сушки газов перед дозатором устанавливают поглотительные склянки или U-образные трубки с безводным хлоратом магния, оксидом фосфора (V), с хлоридом кальция или с силикагелем.

Дозаторы. Для отбора анализируемой пробы  используют саамы разнообразные  по объёму, конструкции и принципу действия дозаторы. Дозируемый объём  газа обычно составляет от 1 до 100 мл, а  объём жидкой смеси – от 1 до 5 мл. Для отбора жидкой пробы используют обычный медицинский шприц. Жидкую пробу предварительно быстро испаряют и пары вводят в колонку. Пробы твёрдых веществ вводят в колонку в расплавленном состоянии или растворёнными в каком – либо растворителе.

Для ввода  в колонку анализируемого газа используют различного вида газовые пипетки.

В момент ввода пробы поток газа-носителя не прекращается. Дозировка и введение пробы – одна из важнейших операций. Необходимо соблюдать следующие  условия: химическая инертность материала  дозатора по отношению к анализируемой  пробе и газу-носителю; полное отсутствие, какого – либо мёртвого пространства в калиброванном объёме; соответствие температуры отсечённого газа в  дозаторе температуре хроматографического  процесса.

Колонки. В газовой хроматографии применяются  прямые, U – образные или спиральные колонки. Внутренний диаметр колонок от 2 до 12-15 мм. Длина колонки зависит от поставленной задачи. Чаще применяют колонки от 2 до 20м. Материалом для колонок может служить стекло, медь, латунь, сталь и др.

Очень большое  значение имеет равномерное и  достаточно плотное наполнение колонки  серебром. При использовании спиральных колонок этого добиться очень  трудно. После набивки колонку с сорбентом продувают газом-носителем, чтобы освободить сорбент от посторонних веществ. Хроматографические колонки для разделения газовых смесей обязательно термостатируют.

Капиллярные колонки – стеклянные, металлические  или пластмассовые трубки диаметром 0,2 – 0,5 мм; длина их может достигать  до 100м. Их применение повышает эффективность  разделения газовой смеси. На внутренней стенке трубки нанесён слой жидкой неподвижной фазы или активного сорбента оксида алюминия, оксида кремния и др. Для заполнения капиллярных колонок неподвижную фазу растворяют в легко испаряющемся растворителе. Полученный раствор «проталкивают» под давлением через капиллярную трубку газом-носителем. После заполнения колонки раствором продолжают подавать газ-носитель до полного испарения растворителя. На стенках капиллярных трубок остаётся тонкий слой неподвижной жидкой фазы. Для нанесения на стенки трубок оксида кремния или оксида алюминия готовят

специальные коллоидные растворы и заполняют  ими колонки, затем продувают  сухим аргоном или другим газом-носителем  до полного удаления растворителя. На стенках остаётся тонкий слой активного сорбента. Отсутствие насадки в капиллярных колонках позволяет увеличивать скорость потока газа-носителя даже при небольших перепадах давления, а увеличение длины колонки улучшает разделение сложных газовых смесей.

В газовой  хроматографии в качестве насадок  широко применяют древесный активированный уголь, оксид алюминия, силикагель, молекулярные сита – цеолиты и  пористые полимерные шарики.

Детекторы. Важным узлом газового хроматографа является детектор, который определяет точность и чувствительность всей хроматографической

 колонки,  а также размер вводимой пробы  и время анализа. Детектор реагирует  на изменение состава газа  по его выходе из колонки  и передаёт эти данные регистрирующему  прибору.

Дифференциальные  детекторы. Наиболее распространён детектор – катарометр или термокондуктометрическая ячейка. В основе его работы лежит зависимость между количеством тепла, отводимого от нагретой нити, и теплопроводностью газа, омывающего нить.

Измерительная система катарометра показана на рисунке 2.

Рисунок 2 – Измерительный мост катарометра

Активными плечами  r₁ и r₂ измерительного моста служат сопротивления платиновой,  вольфрамовой и никелевой нити. Сопротивления плечей моста, расположенные в соответствующих камерах (ячейках) – рабочей (А) и сравнительной (Б), - находятся на под постоянным напряжением в 6 или 12 В. Через рабочую ячейку А проходит анализируемый газ, через сравнительную ячейку Б – чистый газ-носитель. При использовании газа-носителя с высокой теплопроводностью значительно повышается чувствительность детектора.

Конструкция ячеек катарометра может быть различной: проточная ячейка (рисунок 3, а) не обладает инерцией, но чувствительна к колебаниям скорости потока газа; диффузионная ячейка (рисунок 3, в) нечувствительна к изменению скорости потока газа, но обладает значительной инерцией; полудиффузионная ячейка (рисунок 3,б) обладает сравнительно небольшой инерцией и достаточно чувствительна.

Рисунок 3 – Ячейки катарометров

По принципу моста сопротивления устроены термохимические  детекторы, основанные на изменении  теплового эффекта каталитического  сжигания газа на поверхности платиновой нити.

Близок по принципу действия к термохимическому детектору пламенный детектор.

Детекторы, основанные на измерении электрической  проводимости ионизированных газов, называются ионизационными детекторами. Молекулами анализируемых газов ионизируются действием электрического заряда в 

вакууме; в пламени при наличии  электрического поля; под действием  радиоактивного излучения. Газом-носителем  служат различные газы, но наиболее часто – аргон и водород.

В лабораторной практике распространены пламенно-ионизационные  детекторы. Газом-носителем служит водород или смесь водорода с  другими газами. Степень ионизации и величина сигнала детектора зависят от состава анализируемой газа; от соотношения между количествами подаваемых в горелку водорода и воздуха; от расстояния между электродами; от напряжения, подаваемого на электроды; от конструктивных особенностей горелки. Пламя в детекторе находится между двумя электродами; катодом служит сопло горелки, анодом – металлическая сетка или проволока. Поджигают пламя вручную или автоматически.

Интегральные  детекторы. Принцип их работы основан  на количественном выделении анализируемого компонента в единицах массы и объёма.

Регистрирующие  устройства. Для измерения или  записи импульса детектора применяют  чувствительные показывающие или записывающие милливольтметры и потенциометры. Такие приборы позволяют непрерывно автоматически записывать хроматографическую кривую. Сигнал ионизационного детектора  поступает в регистрирующий прибор через систему усилителей постоянного  и переменного тока.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Количественный  газохроматографический анализ

 

В практике научно-исследовательских и, особенно, заводских лабораторий потребность  в выполнении количественных газохроматографических анализов весьма велика.

Наиболее  часто встречающимися типовыми задачами количественного газохроматографического  анализа являются следующие:

1. Определение содержания одного, нескольких или всех компонентов в многокомпонентной смеси;
2. Определение суммарного содержания группы из нескольких компонентов, объединяемых каким-либо общим признаком, относительно присутствующих в смеси остальных соединений – так называемое определение группового состава;
3. Определение содержания малых (или микро) примесей в индивидуальных химических соединениях и в различных средах.

 

  Успешное решение всех этих и ряда других задач, то есть достижение высокой точности и воспроизводимости количественных результатов возможно лишь при правильном выборе аппаратуры, условий проведения анализа и рационального метода количественной расшифровки хроматограмм, а также при исключении или сведений к минимуму возможных погрешностей на каждой отдельной стадии выполнения эксперимента.

 

4.1 Хроматограмма  – источник сведений о количественном  составе

Регистрируя сигнал чувствительного элемента детектора, получают кривую зависимости сигнала  детектора от объёма газа-носителя или времени его прохождения  через сорбционную колонку. Такая  кривая называется хроматограммой. В  зависимости от принципа действия детектора  получают

 

дифференциальную  или интегральную хроматограмму.

Дифференциальная  хроматограмма (рисунок 4) имеет нулевую  линию 1, которая соответствует регистрации  сигнала детектора во время выхода из колонки чистого газа-носителя; максимум 2 или пик, полученный при  регистрации сигнала детектора во время выхода из колонки одного из определяемых компонентов газовой смеси; пик ограничен «фронтом» (левый участок кривой, соответствующий возрастанию концентрации определяемого компонента до максимальной) и «тылом» (правый участок кривой, соответствующий убыванию концентрации компонента в газе-носителе).

Рисунок 4 – Дифференциальная хроматограмма

 

Интегральная  хроматограмма имеет вид ступени (рисунок 5), что соответствует количественному  элюированию компонента газовой  смеси. Высоту ступени определяют расстоянием между двумя горизонтальными линиями кривой или их касательными.

 

Рисунок 5 –  Интегральная хроматограмма

 

4.2 Выбор  и измерение основных количественных  параметров

Рассмотрим более подробно хроматограмму анализа (рисунок 6).

Рисунок 6 – Хроматограмма анализа

Если  точка А^' соответствует вводу анализируемой пробы, А – появлению на выходе какого-то несорбирующегося компонента, а B – появлению анализируемого вещества, то линию A'AB и ее продолжение BF называют нулевой линией. Кривую BDF называют хроматографическим пиком и характеризуют высотой, шириной и площадью. С удовлетворительной точностью контур пика описывается уравнением Гаусса:

c = c_max  ,                                              (4.1)

      где V – объём подвижной фазы;

     V₀ – объём подвижной фазы, соответствующий c_max ;

     µ_ст – стандартное отклонение, равное полуширине пика при = .

Высотой пика считают либо величину h, либо h'. Последняя равна расстоянию от нулевой линии до точки пересечения касательных к кривой в точках перегиба. Шириной пика называют расстояние между точками контура на половине его высоты (CE= µ_0,5) или на какой-то другой отметке по высоте, либо расстояние между точками перегиба (µ_п) или между точками пересечения нулевой линии с касательными к кривой в точках перегиба (B'F' = µ_к = ω).

Важной  хроматографической характеристикой  системы является время 

удерживания или пропорциональный ему удерживаемый объём. На рисунке 6 приведенному удерживаемому объёму соответствует отрезок AG, а общий удерживаемый объем характеризуется отрезком A'G.

Если  длину отрезка A'G обозначить l, то время удерживания t_r ,будет равно

,                                                           (4.2)

где U – скорость движения ленты самописца.

Удерживаемый  объём V_r пропорционален времени удерживания t_r :

V_r = t_rω,                                                           (4.3)

где W – объёмная скорость газа-носителя.

Приведённый удерживаемый объём V'_r ,соответствующий отрезку AG, определяется соотношением

   V'_r = V_r - V₀ ,                                                                                    (4.4)

где V₀ пропорционален отрезку AA', длина которого l₀.

Величина  V₀ характеризует удерживаемый объём несорбирующегося газа, или мёртвый объём колонки.

Приведённому  удерживаемому объёму соответствует  приведённое время удерживания  t'_r:

t'_r = t_r –t₀ ,                                                         (4.5)

где t₀ , пропорциональное величине  l₀, характеризует время удерживания несорбирующего газа.

Полнота разделения двух компонентов количественно  может быть выражена критерием разделения K:

K = = ,             (4.6)

где или - расстояние между максимумами пиков разделяемых элементов;

       - полуширина хроматографического пика первого (1) и второго (2) компонентов на половине высоты, а нижний индекс «об» указывает на объёмные единицы измерения.

При K = 1 разделение бывает достаточно полным.

 

Если  допустить, что ширина хроматографического пика обоих компонентов примерно одинакова, уравнение (4.6) принимает вид

K = .                                                  (4.7)

При взаимном перекрывании пиков определение  ширины зоны каждого пика становится невозможным (рисунок 7). В таких случаях  рассматривают степень разделения ψ:

Ψ = (h₂ – h_min) / h₂ ,                                           (4.8)

где  h₂ – высота пика вещества, имеющего меньшую концентрацию;

       h_min – высота минимума.

Рисунок 7 – Определение степени разделения ψ

Значение  тех или иных количественных характеристик  меняется в зависимости от цели анализа.

 

 

4.2.1 Графические  способы определения площадей  хроматографических пиков

Эти способы  чаще всего основываются на использовании  геометрических приёмов вычисления площади треугольника. Совокупность необходимых при этом геометрических построений и последующих измерений  и расчётов называют триангуляцией.

Известно  несколько приёмов триангуляции:

1. Умножение полувысоты пика на его ширину при основании ωt;
2. Умножение высоты пика на его полуширину;
3. Умножение полувысоты треугольника, образованного основанием и касательными к ветвям пика на основание.

Ни  один из этих приёмов не обеспечивает вычисление истинной площади хроматографического  пика; все они приводят к нахождению величин, связанных с абсолютными  значениями площадей пиков следующими численными коэффициентами:

1. 1/2 hωt ≈ 0,80S;                                            (4.9)

2. hω_0,5 ≈ 0,90S                                               (4.10)
3. 1/2 hωt ≈ 0,97S.                                          (4.11)

Поскольку, любой из методов количественного  газохроматографического анализа  не требует измерения абсолютных, истинных значений выбранных параметров хроматографических пиков, не допускает  использование их относительных  величин, то формально ни один из приёмов  триангуляции не имеет преимуществ  перед другими.

Триангуляционные  приёмы можно использовать и для  определения площадей взаимоналагающихся неразделённых пиков. Рекомендовалось  также находить площадь неразделённых  пиков по формулам:

S = 1,650hω_0,75 ;                                             (4.12)

S = 2,710hω_0,9 .                                              (4.13)

Для определения  графическим путём площадей асимметричных  пиков 

используют  так называемый трапецеидальный  приём. Суть его заключается в  том, что определяют ширину асимметричных  пиков в двух точках высоты, обычно W_0,15 и W_0,85. Умножением полусуммы этих отрезков на высоту находят величину, пропорциональную истинной площади пика:

S =.                            (4.14)

Известны  и также широко применяются в  практике графические приёмы нахождения площади хроматографического пика, основанные на измерении высоты пика и стандартного отклонения.

S = hσ = 2,507 hσ.                                 (4.15)

В практике следует замерять ширину пика по возможности  ближе к основанию; это позволяет избежать ошибки при измерении весьма малых линейных отрезков, отвечающих ширине пика в верхней его части.

 

4.2.2 Возможные  погрешности

Общие для  всех графических способов расчёта  источники ошибок связаны с необходимостью измерении одного или нескольких отрезков на хроматограмме: высоты пика, ширины его на определённой высоте и расстояния от точки ввода пробы  до вершины интересующего хроматографического  пика.

Для определения  площади пика периметрическими способами, к которым относятся плавиметрирование и взвешивание вырезанных участков хроматограмм, характерны следующие четыре возможных источника ошибок:

1. Общая с графическими способами операция проведения базовой линии хроматограммы под пиком;
2. Отклонения от контура пика при планиметрирования или вырезании;
3. Случайные промахи при считывании результатов измерений планиметром или взвешиванием на весах;
4. При взвешивании вырезанных участков хроматограмм возникает ошибка из-за неоднородности бумаги диаграммной ленты.