Бёккер_Хроматография [2009]

90 Глава 3. Газовая хроматография

вспомогательной матрице. Трудности возникают, поскольку колонка перегруже& на растворителем и испаренная проба медленно переносится из испарителя в ко& лонку. Вероятность термического разложения неустойчивых веществ возрастает.

Методы ввода пробы, как с делением потока, так и без, являются «горячими» методами, которые требуют испарения пробы вне колонки в так называемом ис& парителе, что, в зависимости от летучести компонентов проб, требует примене& ния высоких температур, то есть температур часто более высоких, чем те, при ко& торых работает колонка. Термически неустойчивые вещества при этом могут раз& лагаться уже в инжекторе.

3.6.3.2.Ввод пробы непосредственно в колонку (On%column)

Спомощью метода «On&column», который для наполненных колонок известен уже давно, количественные анализы могут проводиться с более высокой точностью и достоверностью и для смесей компонентов, температуры кипения которых лежат в широком диапазоне. Жидкая проба без деления потока с помощью специального устройства вводится непосредственно в колонку (рис. 3.12). Наружный диаметр иглы шприца так мал, что его можно ввести непосредственно в капилляр. При таком методе жидкая проба помещается прямо в начало колонки, причем при низкой тем& пературе. Испарение происходит в капиллярной колонке – без перегрева или испарения пробы во внешнем устройстве [3.16].

Газ>носитель

Рис. 3.12. Схематическое изображение ввода пробы на колонку

Таким образом, речь идет о методе холодного ввода пробы. Нет никакой раз& ницы между температурой ввода пробы и начальной температурой колонки, ко& торая затем повышется по заданной программе. Ввод пробы на колонку рассмат& ривается многими ведущими хроматографистами как идеальное решение для ко& личественной капиллярной ГХ. Так как такая подача не требует особых навыков, ее легче применять, чем другие методы. Не только опытный аналитик знает, что прямой ввод облегчает количественный анализ, но и начинающий исследователь

вэтой области извлечет пользу из этого метода.

Взависимости от приборных возможностей различают два метода холодного ввода пробы:

•если инжектор не снабжен ни охлаждением, ни нагревом, то испарение и последующее разделение пробы происходят в рамках температурной про& граммы хроматографической колонки;

•в том случае, если инжектор охлаждается или нагревается, происходит ввод пробы посредством контролируемого изменении температуры инжектора при постоянной температуре колонки.

Очевидное преимущество этой техники для многих проб заключается в отсут& ствии эффектов дискриминации, так как испарение пробы происходит внутри колонки. Отсюда же, тем не менее, возникают и недостатки: объем колонки, как правило, очень мал и имеет неподходящую геометрию, так как в процессе испа& рения происходит значительное увеличение объема. Поэтому, прежде всего, нуж& но согласовать температуру колонки при введении пробы с температурой кипе& ния растворителя, чтобы избежать слишком бурного испарения. Благоприятным в любом случае является ввод проб с программированием температуры, и даже быстрое (баллистическое) повышение температуры может иметь преимущества в определенных областях (например, анализе высококипящих компонентов).

Преимущества прямого ввода пробы на колонку: замечательная техника ввода для количественной капиллярной ГХ. Никакого перегрева пробы, никаких оши& бок при делении потока, высокая точность и воспроизводимость, подходит для проб с широкой областью точек кипения и полярностей, очень прост в реализации.

Недостатки: испарение в колонке ведет к более сильному увеличению объе& ма, сопровождающемуся повышением давления и, как результат этого, возмож& ной потери пробы из&за обращения потока, что может приводить к двойным пи& кам или их уширению.

Данный метод, основное преимущество которого – полностью прямой ввод пробы в колонку, что означает всего один акт переноса пробы, имеет и ограниче& ние: в колонку можно вводить только малые количества вещества. Этого достига& ют разбавлением пробы растворителем, но при этом растворитель проходит через всю колонку. В зависимости от вида колонки при больших объемах пробы это может быстро привести к перегрузке колонки.

Для анализа ультранизких (следовых) количеств увеличение объема пробы часто является простейшим способом повысить чувствительность. Для этого не& обходимо вводить большие объемы проб порядка 100 мкл, чтобы концентрации в диапазоне до триллионных долей можно было обнаружить без предварительного

92 Глава 3. Газовая хроматография

обогащения. Этого добиваются с помощью предварительного отделения анали& тов от растворителя на предколонке и сброса (упаривания) избытка растворителя через клапан в автоматическом режиме.

Через автоматическую систему подачи пробы (автодозатор) проба вводится на предколонку с большей скоростью, чем скорость испарения, причем равномерная пленка растворителя наслаивается на предколонку. Испаренный растворитель уда& ляется через открытый на время ввода выходной клапан. Также низкокипящие ча& сти пробы остаются при этом в пленке растворителя на предколонке. В результате этого одновременного ввода и сброса предколонка используется для концентриро& вания. После успешного ввода больших объемов проб и закрытия выпускных кла& панов начинается собственно хроматографическое разделение [3.17].

3.6.3.3. Холодная система ввода пробы

Еще один метод, помимо описанных выше, называемый методом холодного вво& да пробы, был введен в 1981 году. При испарении с программированием темпера& туры (ИПТ) жидкую пробу вводят в испаритель, температура которого ниже точ& ки кипения растворителя (рис. 3.13). Растворитель испаряется и через устройство для деления потока выходит наружу. Проба должна оставаться в жидком состоя& нии до полного окончания ввода, чтобы гарантировать полный перенос пробы из шприца в лайнер [3.18]. Кроме того, компоненты пробы задерживаются на стек& лянном или кварцевом наполнителе трубки испарителя.

После этого испаритель может под управлением компьютера нагреваться в строго заданных условиях. При этом проба испаряется внутри камеры, и компо& ненты попадают на хроматографическую колонку. Скорость нагрева выбирают таким образом, чтобы предотвратить или, по меньшей мере, ограничить, с одной стороны, уширения пиков вследствие слишком долгого пребывания пробы в ка&

Нагрев

Вспомогательный газ для регулирования температуры

Газ>носитель

Рис. 3.13. Система холодного ввода пробы

мере, а, с другой стороны, чтобы избежать или по меньшей мере ограничить взры& воподобную волну сжатия. С этой точки зрения скорость нагрева меняется от ком& натной температуры до 400 °C в течение 40 секунд. С другой стороны, за счет воз& можности программирования различных температурных режимов есть возмож& ность сбрасывать значительную часть растворителя через открытый при низкой температуре выход для деления потока, не дискриминируя высококипящие со& ставные части пробы [3.19].

ПТИ может функционировать с делителем или без него. Метод с использова& нием делителя позволяет вводить большие объемы пробы. Инжектор можно ис& пользовать также и без делителя, чтобы обеспечить полный перенос пробы в ко& лонку. При подаче пробы, как с делителем, так и без делителя, после испарения растворителя и перед включением программируемого нагрева ПТИ выход дели& теля закрывается. При этом все компоненты пробы без потери переносятся на колонку и снова фокусируются, если начальная температура колонки достаточно низка. Этот метод сравним с техникой ввода непосредственно в колонку, но име& ет то преимущество, что благодаря испарению растворителя могут вводиться боль& шие объемы проб.

С помощью холодного ввода предотвращают селективное испарение низко& кипящих компонентов из иглы шприца и дискриминацию при различном соот& ношении деления потока. Также удается избежать частичного или полного рас& пада чувствительных к температуре веществ. В случае сильно разбавленных об& разцов перегрузки детектора или колонки не происходит, так как растворитель испаряется первым и уходит через открытый выход делителя. Конструкция ПТИ делает возможным осуществлять с одним и тем же инжектором как прямой ввод пробы на колонку, так и ПТИ&ввод [3.20].

3.6.4. Ввод пробы с помощью дозирующей петли

Эта техника, известная из ВЭЖХ, находит применение также в газовой хроматог& рафии. Таким образом, например, жидкие газы могут исследоваться без предва& рительного испарения. В области производственной аналитики дозирующие пет& ли используются в сочетании с автоматическими многоходовыми клапанами для автоматического ввода пробы жидких и газообразных продуктов.

3.6.5. Твердые пробы

Обработка твердых проб едва ли отличается от методов, применяемых для жид& ких проб. Ввод твердых проб происходит почти исключительно в виде раствора в подходящем растворителе. Для этого особенно подходят шприцы, подающие пробу непосредственно из иглы, так как при этом в шприце не задерживаются остатки раствора.

Особенными методами являются пиролиз и ГХ анализ паровой равновесной фазы. Оба метода подходят как для жидких, так и для твердых проб или компо& нентов проб. В методе анализа паровой равновесной фазы (англ.: Headspace) ана& лизируется газовая фаза, которая находится в термодинамическом равновесии с твердой или жидкой фазой. Эта специальная техника будет описана позже.

94 Глава 3. Газовая хроматография

3.6.6. Пиролиз

Все преимущества газовой хроматографии привязаны к принципиальному усло& вию, что вещества должны быть летучими. Для анализа нелетучих веществ пробу можно разлагать пиролитически и анализировать возникающие при этом летучие продукты с помощью ГХ. Под пиролизом понимают тепловое разложение проб или компонентов проб. При пиролизе высокомолекулярных соединений в ходе термического разложения образуются низкомолекулярные соединения. Затем эти продукты исследуются газохроматографически. Пиролитическая ГХ применяет& ся уже более 30 лет для анализа материалов, которые нельзя исследовать с помо& щью классической газовой хроматографии [3.21]. Пиролиз в комбинации с газо& вой хроматографией применяется преимущественно для анализа полимеров. При этом можно выделить различные области применения:

•воспроизводимый пиролиз таких высокомолекулярных соединений, как волокна, лаки, полимеры и т.д. Он часто не дает определенных продуктов, и хроматограмма используется как «отпечаток пальцев» продукта;

•воспроизводимый пиролиз соединений со средним и низким молекуляр& ным весом. Он дает определенные продукты, которые определить непос& редственно не удается даже после их дериватизации. К ним относятся неус& тойчивые соединения, органические соли и т.д.

Пиролиз может происходить в закрытой системе. Продукты после этого мож& но анализировать. Этот так называемый автономный метод применяется почти исключительно для высокомолекулярных проб или при пиролизе в присутствии кислорода. При on&line методе продукты пиролиза по мере образования перено& сятся в хроматографическую колонку газом&носителем, проходящим через пиро& литическую камеру. В то время как при автономной технике возможно образова& ние продуктов последующих превращений, при on&line технике этот процесс зат& руднен. Характерные продукты расщепления могут в этом случае идентифициро& ваться, например, с помощью ИК&детектора с Фурье преобразованием [3.22].

Нагревание пробы при пиролизе происходит за счет подвода к нему внешней энергии. Для этого используется либо электрический нагрев, либо высокочастот& ная индукция. Поэтому различают два вида пиролиза:

•пиролиз, когда нагрев производится нитью накала, работает с электричес& кой спиралью, температура которой может плавно регулироваться в зави& симости от силы тока [3.23]. Это позволяет, например, сначала удалять ра& створитель или проводить пиролиз постепенно;

•для определенных задач относительно долгое время нагрева может быть недостатком. Так как качественный и количественный составы продуктов пиролиза пробы сильно зависят от условий пиролиза, эти параметры долж& ны быть воспроизводимы очень точно, для чего лучше всего подходит пи& ролитическая точка Кюри.

Каждый ферромагнитный материал теряет свои ферромагнитные свойства при температуре выше критической и становится парамагнитным. Эта специфичес& кая для материала температура названа точкой Кюри в честь впервые открывшего

ее Пьера Кюри. Пиролиз в точке Кюри использует это специфическое свойство ферромагнитных металлов, таких как железо, кобальт, никель, и их сплавов. Фер& ромагнитный проводник находится в центре цилиндрической индукционной ка& тушки. Наложением высокочастотного поля в проводнике индуцируется перемен& ное магнитное поле, вследствие чего проводник скачкообразно нагревается вплоть до точки Кюри. При достижении точки Кюри ферромагнетик переходит в пара& магнитное состояние. Поглощаемая мощность резко снижается, и температура остается постоянной.

Используя соответствующие сплавы упомянутых металлов и подбирая часто& ту индукции, можно варьировать температуру пиролиза [3.24]. Кроме того есть ряд сплавов, которые не содержат никаких ферромагнитных компонентов, но, тем не менее, обладают точкой Кюри. Большое преимущество этого метода со& стоит в том, что в очень короткий период нагревания примерно от 20 до 30 мс всегда воспроизводимо достигается тот же самый профиль подъема температуры и та же самая конечная температура [3.25].

Также как при вводе жидких проб в устройство ввода в хроматографе, пиро& лиз проводят введением пробы в штуцер реактора и пиролитического инжектора. Пиролизат попадает в поток газа&носителя через иглу устройства ввода пробы. Анализируемые пробы могут вводиться в твердой или жидкой форме. Условием количественного определения при пиролитической ГХ являются стабильные ана& литические условия и одинаковая пробоподготовка. При этом удобно работать с внутренним стандартом. Внутренний стандарт – это, как правило, полимер в растворителе. Проба и внутренний стандарт подвергаются пиролизу одновремен& но [3.26].

Пиролиз ГХ – универсальный метод анализа нелетучих соединений. С помо& щью этого метода самые разные материалы, такие как природные и синтетичес& кие полимеры, полисахариды, целлюлоза, резина или даже органическая соль и другие высокомолекулярные соединения, становятся доступными для газохрома& тографического анализа [3.27].

3.6.7. Нестабильные образцы

Анализ нестабильных проб возможен тогда, когда процесс разложения воспроиз& водим и продукты разложения известны. В общем случае, выше определенной температуры всегда необходимо учитывать разложение пробы. Вещества, кото& рые по своей химической структуре склонны к разложению, часто можно про& анализировать в ГХ без разложения, если их предварительно подвергнуть дерива& тизации.

3.6.8. Уплотняющая прокладка инжектора

Правильный ввод пробы посредством шприца зависит от способности уплотня& ющей прокладки самоуплотняться. Дозирование жидких контрольных веществ или растворов осуществляется, как правило, с помощью микролитровых шпри& цев. Важную роль при этом, как герметизирующий элемент, играет уплотняющая прокладка.

96 Глава 3. Газовая хроматография

Уплотняющая прокладка

Газ>носитель

Стеклянная направляющая Металлический корпус

Рис. 3.14. Направление прохождения газа&носителя около уплотняющей про& кладки

Уплотняющие прокладки производятся из силиконовой резины с наполните& лями, пигментами, смягчителями и специальными добавками (сшиватели). Из упомянутых добавок сшивающий агент и пластификатор могут оказывать меша& ющее воздействие на поведение анализа. Что касается сшивающих агентов, то речь идет, как правило, об органических пироксидах, которые сокращают содер& жание мономеров. Пластификаторы необходимы, чтобы придавать мембране не& обходимую эластичность. При этом речь идет в большинстве случаев об изомер& ной смеси октил&, децил& и тридецилфталатов.

Проблемы встречаются тогда, когда возникающий при испарении объем пара из&за слишком маленького объема инжектора вступает в соприкосновение с мем& браной. При этом пластификаторы и низкомолекулярные полисилоксаны вы& деляются из мембраны и попадают в пробу, что приводит к появлению мешаю& щих ложных пиков. На рис. 3.14 показано направление прохождения газа&но& сителя около уплотняющей прокладки. Для предотвращения отмеченного выше эффекта нужно уменьшать объем ввода пробы или увеличивать объем трубки испарителя. Однако при подаче пробы без деления потока это не всегда воз& можно.

При повышенных температурах инжектора летучие компоненты (мономеры, пластификатор) выделяются из мембраны (газовая экстракция) и переносятся газом&носителем в колонку, где они концентрируются в ее начале. Отсюда появ& ляется ряд проблем:

•компоненты реагируют с анализируемыми веществами;

•сконцентрированные на колонке пластификаторы изменяют разделющие свойства колонок;

•летучие компоненты прокладки при запуске программирования темпера& туры элюируются из колонки в детектор.

Для предотвращения этих эффектов в некоторых инжекторах предусмотрена промывка мембраны, как это показано на рис. 3.15. Небольшой поток газа&носи& теля постоянно проходит вдоль мембраны через специальный канал и выходит

Уплотняющая прокладка

Промывка уплотняющей прокладки

Газ>носитель

Стеклянная направляющая

Металлический корпус

Рис. 3.15. Направление газа&носителя в устройстве с промывкой уплотняющей про& кладки

наружу вместе с потоком газа после делителя потока через фильтр с активирован& ным углем.

Термическая стабильность уплотняющих прокладок определяется введенны& ми добавками. Так, в частности, особенно мешают пигменты, так как они вызы& вают разрушение прокладок. Старые устройства ввода вызывают нагревание про& кладок до температуры испарителя. Однако новые системы уже устроены так, что даже при температурах инжектора 400 °C температуры прокладки не поднимают& ся выше 100 °C.

Некоторые производители предлагают так называемую трехслойную мембра& ну. Они бывают из жесткой, термостойкой и свободной от пластификаторов си& ликоновой резины, которая обложена с двух сторон мягким, легко закрывающимся слоем силиконовой резины. Такие мембраны и после многих вводов проб хорошо герметизируют инжектор.

Для всех мембран справедливо то, что их нельзя слишком сильно уплотнять, так как иначе они быстро теряют свои полезные свойства. Определяющим для времени жизни прокладок является качество иглы шприца. Толстые, деформиро& ванные или тупые иглы очень сильно повреждают мембрану и быстро делают ее непригодной к использованию.

3.6.8.1. Ввод пробы без уплотняющей прокладки

Специальное устройство для ввода пробы позволяет с помощью микролитрового шприца также безупречно и воспроизводимо в автоматизированном долговремен& ном режиме вводить пробу без уплотнений. Потери веществ, характерные для обычного метода работы с неплотными мембранами, и разрушающее действие кислорода больше практически не наблюдаются.

Принцип работы без уплотнений представлен на рис. 3.16. Проба впрыскива& ется через шлюз специальным микролитровым шприцом. Уплотнение происхо& дит с помощью уплотняющего шарика, который прижимается к уплотнению пру& жинным механизмом. При вводе пробы шарик прижимается к стенке.

98 Глава 3. Газовая хроматография

Рис. 3.16. Принцип ввода пробы без уплотняющей прокладки

Преимущества ввода пробы без уплотняющей прокладки:

•дешевле в эксплуатации,

•никаких выделений из прокладки,

•никаких загрязнений входного канала частицами прокладки,

•заметно меньшая опасность разгерметизации.

Недостатки ввода пробы без уплотняющей прокладки:

•высокие расходы при покупке и

•дорогостоящая чистка и обслуживание.

3.7. Газохроматографические детекторы

Коммерческие газовые хроматографы появились в середине пятидесятых годов, и с тех пор центральный блок ГХ состоит из термостатируемого разделяющего блока, термостатируемого детектора и соответствующей электроники. Каждый произво& дитель создает свой хроматограф в виде единого блока и беспокоится о том, чтобы по возможности все важные комплектующие части были собственного изготовле& ния. Конечно, важной частью является детектирующая система, которая, в общем, также предлагается производителями приборов, и, конечно, редко совместима с приборами других производителей. Равным образом основной блок приборов не предусмотрен для того, чтобы его можно было сочетать с любым детектором.

Детектирующая система состоит из собственно «детектора», главного предмета обсуждения, в котором поток элюента из колонки анализируется и генерируется элек& трически измеряемый сигнал, а также из усилителя сигнала и электрического блока питания. Все компоненты должны оптимально размещаться и соединяться в общем устройстве, и любая замена должна быть возможна только с нормированными и стан& дартизированными системами. К сожалению, существует мало таких систем.

Потребительскую стоимость детекторной системы определяют не только об& щие характеристики сигнала. Важными свойствами являются также стабильность сигнала во времени, доступность или частота и легкость обслуживания. Практик