Газовая хроматография. Хроматограф, колонки и прочие радости жизни.
Итак, поговорим о хроматографе и его основных узлах.
Устройство ввода пробы (инжектор). Инжектор нельзя назвать сердцем хроматографа. Это, скорее, рот и нос. Через инжектор течет газ-носитель, который поступает на обдув септы, сплит и течет через колонку. В инжектор вставлен лайнер, в котором находится стекловолокно. Его, пожалуй, можно сравнить с зубами и языком. Он выполняет две очень важные функции – проба попадает на стекловолокно, испаряется и переносится через него в потоке газа-носителя в колонку. Основная же грязь, не способная испариться, остается на стекловолокне (продолжая ассоциативный ряд: мы жуем еду и глотаем, однако то, что пришлось совсем не по вкусу можем и выплюнуть).
Лайнеры бывают разных типов – Split (с делением потока) и Splitless (без деления потока). Фокусирующие и прочие в расчет не беру, мы рассматриваем только основные типы.
Колонка. А вот колонка это, пожалуй, желудок и кишечник. Такая же длинная. И принцип действия в чем-то похож. Только если в кишечнике питательные вещества всасываются, то на колонке вещества удерживаются. Колонки бывают разных видов: полярные, неполярные. Полярные колонки, как правило, это колонки типа Wax и FFAP. Они используются для определения содержания спиртов и других полярных компонентов, которым не требуются высокие температуры (до 200 градусов). Дело в том, что это гликолевые колонки. Т.е. высокие температуры просто снесут и спекут фазу. И, раз уж мы затронули тему уноса фазы то стоит отметить, что полидиметилсилаксановые колонки не любят водные растворы. Они гидролизуют неподвижную жидкую фазу, в результате чего Вы можете наблюдать отстоящие друг от друга на равных промежутках пики Вашей НЖФ. Существует также свой собственный фон колонки. Он зависит от того, насколько качественно привита фаза. Чем выше температура – тем выше фон (заметно при температурах свыше 220-250 градусов). Да, кстати, участки без фазы можно сравнить с язвами. Они есть, только от них один дискомфорт. В хроматографии с ними борются обрезанием колонки. С человеком такой номер, увы, не пройдет.
Поговорим об основных параметрах колонки, которые приведены на каждой коробке, в которой, собственно, колонка и хранится:
L, length – длина колонки (1)
ID (internal diameter) – внутренний диаметр колонки (2)
Film thickness – толщина пленки НЖФ (3)
Как же выбрать нужную колонку? Ответ довольно прост. Зачастую для этого достаточно посмотреть – полярные или нет соединения. Кроме того, многие производители в своих материалах рекомендуют те или иные колонки для анализа различных объектов, что также может помочь в выборе.
Выбирая колонку стоит также помнить о том, что существенную роль играет толщина пленки НЖФ. Толщина пленки, в первую очередь, будет обуславливать емкость фазы. Чем пленка толще – тем больше емкость. Но не стоит брать 0,5 и, тем более 1 мкм пленку для анализа 1-2 компонентных смесей. Такие пленки нужны для анализа нефтепродуктов. Кроме того, тонкие пленки и тонкие колонки позволяют снизить расход газа-носителя и сделать анализ экспрессным. Поэтому не стоит колоть орехи королевской печатью. Выбирайте колонку, исходя из Ваших объектов.
Термостат – его, пожалуй, можно сравнить с температурой тела. С одной оговоркой – у нас отклонения от 36.6 считают не нормальным. Этому же товарищу вполне естественно менять свою температуру в диапазоне от 30 до 400 градусов. Термостаты характеризуются несколькими параметрами: скорость охлаждения, скорость нагрева, точность контролируемой температуры. Температура, как правило, контролируется термопарой. Если термостат способен за короткое время нагреться и охладиться – система получает название Fast GC.
РРГ (регулятор расхода газа) – это легкие прибора. Именно тут определяется сколько газа и куда идет. По сути представляет из себя плату с электронным управлением распределения газа. Причем изменение расхода газа регулируется банальными дроссельными заслонками. Как в автомобиле, только тут таких дросселей много и они очень, очень маленькие
Газовые линии – кровеносная и дыхательная системы. Снабжает газом все остальные узлы. На газовых линиях устанавливаются молекулярные сита, позволяющие отбить хоть часть примесей из баллона.
Контроллер – это мозг и сердце. Через него выполняется воля пользователя, через него же подаются сигналы на выполнение команд, в которых пользователь участия не принимает.
Теперь, зная основные узлы прибора и их назначение, перейдем непосредственно к методу, его развитию, основным тенденциям и возможностям.
За последние 20 лет основные изменения коснулись лишь способов разделения, в то время как детекторы остаются классическими. Безусловно, меняются их характеристики, достигается высокая чувствительность, но принципиально новых способов детектирования не появляется. Исключением является появление ГХ-МС/МС, ГХ-МС (сверхвысокого разрешения) и ГХ-ИК систем. Говоря о последних стоит отметить, что они имеют достаточно узкий диапазон для работы в ИК-области (лучшие варианты обеспечивают работу в диапазоне 4000–700 см-1), кроме того, необходимо вводить достаточно большой объем пробы. Поэтому мы поговорим о способах ввода пробы и подходах к разделению.
Газовая хроматография является одним из наиболее распространенных и эффективных способов разделения, однако стоит отметить, что этот метод имеет ряд ограничений. Так, например, если Вы работаете с неполярной фазой, Вы не должны допускать попадания воды в инжектор, и, как следствие, в колонку, поскольку это приведет к гидролизу неподвижной жидкой фазы колонки (НЖФ). Отчасти эта проблема и стала причиной разработки такого способа концентрирования, как headspace. Волокно, которое выступает в качестве сорбента, помещается в пробу, после чего его переносят в виалу и помещают в специальное устройство (Agitator), где оно нагревается, после чего отбирается проба специальным газоплотным шприцом и вкалывается в инжектор. Другим вариантом данного метода является перенос волокна непосредственно в инжектор, где и происходит термодесорбция в токе газа-носителя.
Еще одним вариантом концентрирования является криофокусировка пробы. Попав в инжектор проба вымораживается в токе жидкого азота, после чего резко нагревается и под давлением газа-носителя отправляется в колонку, за счет этого достигается эффект фокусировки. Минусом такого ввода пробы является существенное снижения срока службы части колонки, которая находится в инжекторе.
Говоря о газовой хроматографии нельзя не сказать о колонках. Последние 20 лет наиболее распространены капиллярные колонки, поскольку они обеспечивают потрясающую эффективность (вплоть до того, что они в некоторых случаях позволяют разделять оптические изомеры, не говоря уж о сложных, многокомпонентных смесях). Наиболее популярные типы неподвижных жидких фаз представлены в таблице 2:
Таблица 1 – наиболее распространенные типы НЖФ.
Неподвижная фаза |
Аналиты |
100% dimethylpolysiloxane |
Неполярные соединения (идеально для УВ) (высокие температуры) |
95-50% dimethylpolysiloxane, 5-50% diphenyl polysiloxane |
Неполярные соединения, ароматика (высокие температуры) |
6-50% cyanopropylphenylsiloxane 94-50% dimethylpolysiloxane |
Малополярные соединения (средние температуры) |
100% polyethylene glycol |
Полярные соединения (ВНИМАНИЕ!!! Работать только при невысоких температурах) |
Теперь рассмотрим популярные и интересные способы хроматографического разделения. На рисунке 1 представлен один из таких способов, который носит названия двумерной газовой хроматографии.
Рисунок 1 – ГХ-ГХ системы
Образец вкалывается в инжектор, после чего проходит через 1 колонку до сплиттера, который делит образец на две части – одна из них отправляется на детектор 1, другая – на колонку 2. При этом могут быть реализованы два варианта: обе колонки находятся в одном термостате, либо в разных термостатах. Колонки, как правило, различаются по полярности. Таким образом, соединения, которые не поделились на 1 колонке, должны будут разделиться на 2-ой. Стоит отметить, что данная система позволяет «вырезать» пики. Т.е. Вы задаете время удерживания пика и в этот момент сплиттер вырезает нужные пики, отправляя их на вторую колонку. На рисунке 2 представлен коммерческий вариант прибора с 2-мя термостатами (Shimadzu MDG):
Рисунок 2 – Shimadzu MDG. Система двумерной хроматографии
Стоит отметить, что аналогичным способом реализуется двумерная жидкостная хроматография.